thành lập bản đồ 3d tỷ lệ lớn trên cơ sở kết hợp công nghệ viễn thám, hệ thông tin địa lý và bản đồ số

Tính cấp thiết của đề tài Trong những năm gần đây, các công nghệ mới phát triển nhanh chóng, mạnh mẽ như công nghệ bản đồ số, công nghệ viễn thám và công nghệ GIS..., các dữ liệu không

§¹i häc quèc gia hµ néi

tr-êng §¹i häc khoa häc tù nhiªn

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU

Chương 1: CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP

năng khái thác tư liệu viễn thám trong thành lập bản đồ 3D

12

1.2.2 Xử lý thông tin viễn thám và khả năng khai thác tư liệu viễn

1.4 Khả năng và nguyên tắc kết hợp công nghệ Viễn thám và

GIS để thành lập bản đồ 3D tỷ lệ lớn

37

1.4.1 Ý nghĩa của việc tích hợp (liên kết) dữ liệu Viễn thám và GIS 38

1.5 Cơ sở khoa học của việc kết hợp giữa công nghệ Bản đồ,

2.3 Thu thập và xử lý thông tin, xây dựng cơ sở dữ liệu hệ thông

tin địa lý (GIS DataBase) phục vụ thành lập bản đồ 3D tỷ lệ

công nghệ Bản đồ số, Viễn thám và Hệ thông tin Địa lý

Chương 3: ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ BẢN ĐỒ SỐ, VIỄN

THÁM VÀ HỆ THÔNG TIN ĐỊA LÝ THÀNH LẬP BẢN

ĐỒ 3D TỶ LỆ LỚN

66

3.1 Quy trình công nghệ thành lập bản đồ 3D tỷ lệ lớn trên cơ sở

kết hợp Viễn thám, GIS và công nghệ bản đồ số

3.2.4 Xây dựng mô hình bằng phần mềm Multigen Creator 3.0 68

3.3.4 Thể hiện các nhóm nội dung địa hình khu vực lên mô hình

3.3.7 Nhận định chung và đánh giá kết quả thử nghiệm 87

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý thu nhận và xử lý số liệu viễn thám 13 Hình 1.5 Một số khái niệm cơ bản về bức xạ điện từ và khả năng

khai thác thông tin

Hình 1.12 Xác định vùng đệm thể hiện mối quan hệ giữa các đối

Hình 3.8 Cổng hoàn chỉnh 73

Hình 3.14 Sơ đồ tổ chức dữ liệu trong Geo DATABASE 78 Hình 3.15 Tạo mới một Geodatabase trong ArcCatalog 79

Hình 3.18 Tạo nội dung các lớp đối tượng của T82 trong ArcMap 82

Hình 3.23 Truy vấn cơ sở dữ liệu và thông tin thuộc tính các đối

tượng

85

Hình 3.24 Tìm kiếm đối tượng cần hiển thị theo lệnh Select 86

DANH MỤC THUẬT NGỮ

3D (3-Dimension): ba chiều

BĐĐH: Bản đồ địa hình

CAD (Computer Assisted Design)

CPU (Central Processing Unit): Bộ xử lý trung tâm

CSDL: Cơ sở dữ liệu

DBMS (database Management System): Hệ quản trị cơ sở dữ liệu

DEM (Digital Elevation Model): Mô hình số độ cao

Geo DATABASE: Cơ sở dữ liệu Địa lý

GIS (Geographic Infomation System): Hệ thông tin địa lý

GPS (Global Positioning System): Hệ định vị toàn cầu

GRID: Lưới ô vuông

RS (Remote Sensing): Viễn thám

TIN (Triangulated Inregular Network): Lưới tam giác không đều

VRML (Virtual Reality Modeling Language): Ngôn ngữ mô hình thực tế ảo

Më ®Çu

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong những năm gần đây, các công nghệ mới phát triển nhanh chóng, mạnh

mẽ như công nghệ bản đồ số, công nghệ viễn thám và công nghệ GIS , các dữ liệu không gian có thể được hiển thị lập thể theo không gian 3 chiều (3D), đáp ứng nhu cầu ngày càng đa dạng của người sử dụng Ngành Bản đồ từ khi hình thành và phát triển, đến những năm 90 của thế kỷ 20 chỉ mới xây dựng các phương pháp hiển thị các dữ liệu không gian trong môi trường hai chiều Một câu hỏi được đặt ra là: Ngành Bản đồ có thể khai thác lợi thế của các công nghệ mới GIS, RS và bản đồ số không và khai thác như thế nào ?

Ngày nay, công nghệ thông tin phát triển mạnh, thâm nhập vào hầu hết các ngành khoa học và thực tiễn, trước xu thế toàn cầu hóa, việc sản xuất những dạng bản đồ mới cung cấp kịp thời những thông tin cần thiết theo lãnh thổ địa lý, mô phỏng được cảnh quan chung như các dạng bản đồ 3D, giúp cho các nhà hoạch định chính sách của mỗi Quốc gia có cơ sở để xây dựng những chiến lược phát triển bền vững và những quyết sách độc lập trong xu thế chung của toàn Thế giới

Công nghệ thông tin và các phần mềm với nhiều tính năng mới đã và đang được áp dụng trong nhiều lĩnh vực, từ nghiên cứu, quản lý tài nguyên, môi trường, quản lý đất đai, cơ sở hạ tầng kỹ thuật và những lĩnh vực kinh tế - xã hội Sự phát triển này xuất phát từ những đòi hỏi ngày càng cao về khối lượng và độ chính xác, tin cậy của các thông tin liên quan chủ yếu với thế giới tự nhiên như tài nguyên, môi trường, đến những lĩnh vực liên quan ngày càng nhiều hơn với con người như cơ sở

hạ tầng kỹ thuật, kinh tế - xã hội

Bản đồ 3D tỷ lệ lớn có rất nhiều ưu điểm Nó có thể cung cấp cho người dùng khả năng chủ động chọn vị trí quan sát ảo trong bản đồ, cho phép nhận biết và tìm hiểu các dữ liệu không gian cũng như các thông tin thuộc tính liên quan đến các đối tượng địa hình chính xác hơn Chắc chắn việc áp dụng các công nghệ mới phục

vụ cho ngành Bản đồ sẽ nâng cao hoàn thiện chất lượng của các sản phẩm bản đồ,

mở ra các lĩnh vực ứng dụng mới

Việc ứng dụng rộng rãi các công nghệ mới, đặc biệt là công nghệ thông tin trong thành lập bản đồ đã được thực hiện ở nhiều nước trên thế giới Ngành Bản đồ các nước đang hướng đến hai loại bản đồ tiên tiến là bản đồ 3D và bản đồ động Bản đồ 3D tỷ lệ lớn với các nhóm nội dung, độ chi tiết khác nhau phục vụ cho các mục đích du lịch, quy hoạch và dự báo phát triển trong tương lai cũng đã trở thành thương phẩm thường gặp tại nhiều nước phát triển Mô hình dữ liệu, phương pháp thành lập, khuôn dạng số liệu cũng rất đa dạng phụ thuộc vào các công nghệ sẵn có trong từng trường hợp

Ở Việt Nam, các ngành Khoa học tuỳ theo yêu cầu riêng và điều kiện vật chất kỹ thuật của mình cũng đã tạo ra nhiều sản phẩm đồ họa có các yếu tố địa hình 3D trong đó như: sơ đồ tuyến, mặt cắt trong các ngành giao thông, thủy lợi; DEM được tạo ra trong quá trình xử lý ảnh máy bay; bản đồ tác chiến trong quân sự; mô hình cảnh quan trong giáo dục hay du lịch Các số liệu này được thành lập cho một

số khu vực nhưng cũng thiếu tính hệ thống và mang đặc trưng của từng ngành

Xuất phát từ tình hình thực tế đó, cần nghiên cứu một cách tổng quát và toàn diện về việc thành lập bản đồ 3D tỷ lệ lớn trên cơ sở kết hợp công nghệ Bản đồ số, Viễn thám và Hệ thông tin Địa lý, nhằm mục đích thiết lập quy trình công nghệ liên hoàn từ khi dữ liệu được đưa vào đến khi xuất dữ liệu thành lập bản đồ và chuẩn dữ liệu cho hệ thống Thông tin địa lý Tuy nhiên, đây là một công việc lớn, đòi hỏi nhiều thời gian, công sức và cơ sở vật chất, nên trong khoảng thời gian ngắn không thể nghiên cứu, giải quyết được tất cả các vấn đề liên quan đến các thể loại bản đồ 3D và bản đồ động Đề tài: “Thành lập bản đồ 3D tỷ lệ lớn trên cở sở kết hợp công nghệ Viễn thám, Hệ thông tin Địa lý và Bản đồ số” được chọn, thực hiện, nhằm xây dựng một mảnh bản đồ thử nghiệm Những kết quả nghiên cứu này cũng có thể ứng dựng cho các lĩnh vực khoa học, kinh tế hoặc cho mục đích giáo dục, du lịch và quân sự

2 Mục tiêu của đề tài

- Nghiên cứu khả năng và cơ sở khoa học kết hợp công nghệ Viễn thám, Hệ thông tin Địa lý và Bản đồ số để thành lập bản đồ 3D tỷ lệ lớn

- Cung cấp cho người dùng khả năng chủ động chọn vị trí quan sát ảo trong bản đồ, cho phép nhận biết và tìm hiểu các dữ liệu không gian cũng như các thông tin thuộc tính liên quan đến các đối tượng địa hình chính xác hơn, phục vụ trong công tác thiết kế cơ sở hạ tầng, viễn thông, du lịch, giáo dục…

Đối tượng phục vụ :

- Các cơ quan quản lý, đơn vị nghiên cứu sản xuất

- Các đơn vị trong quân đội

- Các cơ quan nghiên cứu, giảng dạy

- Một số đối tượng khác

3 Nhiệm vụ nghiên cứu

- Tóm tắt về tình hình ứng dụng công nghệ Viễn thám, Hệ thông tin Địa lý (GIS) và Bản đồ số trong thành lập bản đồ 3D

- Thu thập bản đồ số tỷ lệ lớn và chuẩn hóa dữ liệu

- Thu thập dữ liệu ảnh vệ tinh

- Điều tra và thu thập thông tin về khu vực có liên quan đến việc thành lập bản đồ

- Xây dựng 01 mảnh bản đồ 3D tỷ lệ lớn

4 Giới hạn và phạm vi nghiên cứu

- Về không gian: phạm vi nghiên cứu trên một khu vực T82 - Sóc Sơn - TP

- Phương pháp nghiên cứu trong phòng

6 Cấu trúc của luận văn

Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo, nội dung chính của đề tài trình bày trong 3 chương:

Chương 1: Cơ sở lý luận và phương pháp nghiên cứu

Chương 2: Đặc điểm thành lập bản đồ 3D

Chương 3: Ứng dụng công nghệ viễn thám, Hệ thông tin địa lý và bản đồ số, thành lập bản đồ 3D tỷ lệ lớn

Ch-¬ng 1

CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

1.1.1 Khái niệm

Bản đồ số là hệ thống các thông tin về yếu tố địa hình, các đối tượng, hiện

tượng địa lý được mã hoá và lưu ở dạng số (toạ độ x, y, độ cao h, và các số liệu thuộc tính), trên các phương tiện kĩ thuật số mà máy tính có thể đọc được (băng từ, đĩa từ, đĩa CD, đĩa cứng, các thiết bị lưu trữ giao tiếp bằng cổng USB…) Ta chỉ có thể nhìn thấy hình ảnh của nó (dạng tương tự) khi nó được in ra trên giấy, hay thể hiện trên trên các phương tiện hiển thị khác nhau như màn hình máy tính, mạng máy tính… khi in ra giấy (hoặc vật liệu phẳng), ta được bản đồ truyền thống; khi hiện trên màn hình máy tính thì gọi là bản đồ điện tử (hoặc bản đồ màn hình) Để sử dụng và làm việc với bản đồ số, phải có máy tính điện tử và các thiết bị liên quan,

có các phần mềm (chương trình) máy tính và phần mềm bản đồ chuyên dụng Mức

độ đầy đủ thông tin về nội dung và độ chính xác các yếu tố trong bản đồ số hoàn toàn giống như bản đồ truyền thống, chúng phải đáp ứng được các yêu cầu và tiêu chuẩn bản đồ

Một số nhà khoa học trên thế giới đã định nghĩa bản đồ số như sau:

- Stepanovich: “Bản đồ số là một tập hợp có tổ chức các dữ liệu bản đồ trên

các thiết bị có khả năng đọc bằng máy tính điện tử, và được thể hiện dưới dạng hình ảnh bản đồ” [7]

- A.M Berliant: “Bản đồ số là mô hình số của bản đồ địa hình, bản đồ

chuyên đề, bản đồ chuyên môn, được thể hiện ở dạng số với toạ độ mặt phẳng x,y,

độ cao h, và các số liệu thuộc tính được mã hoá Bản đồ số được thành lập trong phép chiếu bản đồ, hệ thống ký hiệu quy ước đối với bản đồ cùng kiểu đã biết, có tính đến tổng quát hoá và các yêu cầu về độ chính xác”

Bản đồ 3D: Có một số nhà bản đồ học đã nêu định nghĩa bản đồ 3D, tuy

nhiên mỗi định nghĩa đều mang tính chất tham khảo, ví dụ: “Bản đồ 3D là bản đồ số

trong đó các đối tượng nghiên cứu (địa hình, địa vật) được thể hiện bằng dữ liệu không gian, gắn thuộc tính và hiển thị trong môi trường không gian 3 chiều của các phần mềm GIS với chiều cao của đối tượng ở các mức độ ký hiệu hóa và khái quát hóa khác nhau tùy theo mục đích sử dụng” Một định nghĩa khác, nghiêng về mô tả sản phẩm: “Bản đồ 3D là bản đồ 2D trong đó thuộc tính về độ cao được gắn vào đường viền chân nhà, các khối nhà được thể hiện bằng độ cao này hoặc được chi tiết hóa với mái và ảnh bề mặt Bản đồ còn hiển thị các đối tượng, thiết bị đường phố như: biển và đèn báo giao thông, cây, hàng rào và đặc biệt là các đối tượng mang tính chất mốc định hướng trong khu vực” Tuy nhiên, theo nhận thức của tác giả thì có thể hiểu khái niệm bản đồ 3D như sau: Bản đồ 3D, trước hết phải là bản

đồ, phải thỏa mãn đầy đủ các đặc trưng bản chất của bản đồ; mặt khác, bản đồ 3D là

mô hình số thể hiện các đối tượng nghiên cứu (địa hình, địa vật) trong hệ quy chiếu không gian với mức độ ký hiệu hóa và khái quát hóa khác nhau tùy theo mục đích

sử dụng, được thể hiện đầy đủ cả 3 chiều x, y, h của đối tượng theo đặc trưng không gian của chúng

1.1.2 Đặc điểm chính

Bản đồ số trước hết là bản đồ, có đầy đủ các đặc điểm đặc trưng của bản đồ truyền thống, như:

- Bản đồ là hình ảnh thu nhỏ của một phần hay toàn bộ bề mặt Trái đất, trên

cơ sở toán học xác định, bao gồm: tỷ lệ, phép chiếu, bố cục bản đồ và sai số biến dạng của bản đồ tùy theo phép chiếu được lựa chọn

- Các đối tượng và hiện tượng (nội dung bản đồ) được biểu thị theo một phương pháp lựa chọn và khái quát nhất định (tổng quát hoá bản đồ)

- Các đối tượng và hiện tượng được biểu thị bằng ngôn ngữ bản đồ Đó là hệ thống ký hiệu qui ước và những nguyên tắc, những quy định về ngữ nghĩa, cú pháp, ngữ pháp, ngữ dụng của hệ thống kí hiệu quy ước đó và những nguyên tắc phối hợp

sử dụng chúng để thể hiện nội dung bản đồ

Ngoài ra, bản đồ số còn cómột số đặc điểm riêng như:

- Mọi thông tin của bản đồ số được ghi ở dạng số (mã nhị phân - binary)

- Thông tin của bản đồ số được cấu trúc theo kiểu raster hoặc vector, có kèm theo topology, tổ chức thành các file bản đồ riêng, hoặc liên kết thành thư mục, được lưu trong hệ thống máy tính hoặc thiết bị ghi thông tin có khả năng đọc bằng máy tính

- Ngoài thông tin đồ họa, bản đồ số còn chứa đựng những dữ liệu mà bản đồ truyền thống không liên kết trực tiếp đượcnhư:

+ Dữ liệu thuộc tính - Các thông tin văn bản và bảng biểu về đặc tính số lượng, chất lượng của đối tượng thể hiện bản đồ - các đối tượng và hiện tượng địa

có thể hiện thị từng bộ phận thông tin, hoặc một quy mô lớn để tìm hiểu, phân tích

dữ liệu

- Tỷ lệ của bản đồ số mang tính điều kiện: về hình thức, bản đồ số không có

tỷ lệ không gian cố định Nó cho phép làm việc theo đợn vị thực, ví dụ, kilômét trên thực địa Để hiển thị, người dùng có thể thể hiện thông tin của bản đồ ở tỷ lệ tùy ý Nhưng tỷ lệ thật của bản đồ số được xác định bởi độ chính xác hình học và độ chi tiết của dữ liệu ban đầu dùng để thành lập bản đồ - được hiểu là tỷ lệ nội dung, hay

tỷ lệ nghiên cứu, khảo sát, quy mô khảo sát Ưu điểm của bản đồ số là người ta có thể đọc, phân tích bản đồ dưới dạng đa tỷ lệ (multiscale)

- Trong thành lập bản đồ giấy, tỷ lệ được xác lập theo diện tích lãnh thổ, do kích thước của giấy và máy in khống chế Người ta có thể thành lập bản đồ số không lệ thuộc vào độ lớn của lãnh thổ, không phụ thuộc vào các điều kiện kỹ thuật

và công nghệ in

1.1.3 Tính chất của bản đồ số

Bản đồ số có nhiều tính chất ưu việt hơn bản đồ truyền thống:

- Tính trực quan: cho khả năng giao diện trức tiếp, thuận lợi và linh hoạt giữa người dùng với thông tin bản đồ, cho ta khả năng bao quát và tiếp thu nhanh chóng những yếu tố chính, chủ yếu của nội dung bản đồ; có thể biểu diễn địa hình theo các góc độ khác nhau, tuỳ người sử dụng; do đó cho phép nghiên cứu đánh giá địa hình

tỷ mỷ hơn, chính xác hơn và toàn diện hơn

- Tính đầy đủ: bản đồ số có khả năng chứa đựng thông tin phong phú và chi tiết, độ phân giải càng lớn thì tính đầy đủ thông tin về đối tượng nghiên cứu càng lớn

- Cấu trúc Bản đồ số có tính chuẩn hoá cao - chuẩn hoá về: dữ liệu, tổ chức

dữ liệu, thể hiện dữ liệu và khai thác thông tin dữ liệu;

- Tính linh hoạt: dễ dàng cập nhật, chỉnh sửa, hoặc có thể thay đổi phương án thiết kế, trình bày, ký hiệu, chồng xếp hoặc tách lớp thông tin Do đó, thông tin của bản đồ luôn mới, họăc theo ý muốn của người quản lý, người sử dụng; trong khi đó các thông tin cũ vẫn được bảo lưu Bản đố số còn được phát triển thành dạng bản đồ mới: bản đồ 3D, 4D, bản đồ động, bản đồ đa phương tiện, truyền trên internet, giao diện trên các trang web…

- Sử dụng bản đồ số rất tiện lợi:

+ Mọi phép đo được thực hiện dễ dàng, nhanh chóng, chính xác

+ Dễ dàng xác định toạ độ x, y, h của một điểm, chiều dài của đường, diện tích của một vùng…

+ Thiết kế, thể hiện nội dung và phân bố của các đối tượng, hiện tượng địa lý trên bản đồ số sẽ đạt được độ thẩm mỹ cao, không phụ thuộc hoa tay người thực hiện hay các điều kiện, phương tiện kỹ thuật đặc biệt

+ Nhiều đối tượng chuẩn hóa theo quy định và được sử dụng bằng cách lấy

ra từ thư viện mẫu

+ Lưu giữ, bảo quản, cấp phát thuận tiện Lưu giữ trên đĩa quang nên rất gọn,

dễ tìm, dễ bảo quản Có thể cấp phát qua mạng viễn thông nên nhanh chóng, chính xác Được bảo mật theo các mức độ khác nhau

1.1.4 Cấu trúc dữ liệu của bản đồ số

Thông tin về các đối tượng, hiện tượng địa lý lưu trữ trong máy tính phải được cấu tạo chặt chẽ tuân theo những nguyên tắc nhất định, phù hợp với nguyên lý

số của máy tính Cấu tạo đó được gọi là cấu trúc dữ liệu Có hai dạng cấu trúc dữ liệu của bản đồ số là: cấu trúc raster và cấu trúc vector

a) Cấu trúc raster

- Cấu trúc raster phân chia bề mặt không gian thành những phần tử nhỏ bằng nhau, theo một lưới điều hòa (grid) gồm các hàng và cột, tính theo thứ tự bắt đầu từ đỉnh phía trái

- Những phần tử nhỏ này được gọi là cell (pixell), mỗi phần tử mang một giá trị đơn gồm giá trị số hàng, số cột trên lưới điều hòa và tông mầu Một mặt phẳng chứa đầy cell tạo thành raster

- Mức độ chi tiết của thông tin phụ thuộc vào độ lớn của ô vuông trong lưới điều hòa (cell), gọi là độ phân giải Độ phân giải càng lớn khi lượng cell trên một đơn vị diện tích càng lớn

- Cấu trúc raster thường được áp dụng thể hiện các đối tượng, hiện tượng phân bố liên tục trong không gian, để lưu trữ thông tin dạng ảnh (ảnh mặt đất, ảnh máy bay, ảnh vệ tinh…)

(Ảnh quét từ một mảnh bản đồ địa hình do Cục Bản đồ/BTTM xuất bản)

- Các đối tượng địa lý có 3 dạng, phân loại theo đặc trưng hình học:

+ Các đối tượng dạng điểm;

+ Các đối tượng dạng đường;

+ Các đối tượng dạng vùng

Ghi chú hoặc địa danh được xếp vào một dạng riêng - là dạng ký tự - Text

- Những đối tượng có cùng danh sách thuộc tính như nhau được xếp vào một lớp, gọi là lớp đối tượng

- Những lớp đối tượng cùng dạng, cùng chuyên đề, và gần nhau về thuộc tính

Hình 1.2 Bản đồ Vector (Một phần của mảnh bản đồ số địa hình, xem trên màn hình máy tính

được in ra để minh họa)

c- So sánh cấu trúc raster và vertor

Ưu điểm chủ yếu của cấu trúc raster là cho phép thực hiện nhanh, gần như tự động quá trình nhập dữ liệu bằng máy quét (scaner) Cấu trúc số liệu đơn giản

Chồng ghép dễ dàng Công nghệ đơn giản rẻ tiền, dễ phát triển

Nhược điểm: Kích thước của tập tin (File) lớn, nếu giảm kích thước tập tin, thì độ phân giải của ảnh sẽ giảm đi, dẫn đến mất thông tin Bản đồ raster xấu hơn so với bản đồ vector do phụ thuộc vào kích thước pixel

Cấu trúc vector có kích thước dữ liệu nhỏ hơn và dễ thao tác, dễ xử lý hơn trong phần lớn các trường hợp Ví dụ, xác định độ dài một cạnh, chu vi của một đa giác hay hướng và khỏang cách giữa hai điểm Cấu trúc vector có độ chính xác đồ hoạ cao, có thể truy cập, thay đổi cập nhật thuộc tính dễ dàng

Nhược điểm: thường khó nhập dữ liệu một cách tự động như raster

Thường cấu trúc raster được dùng bảo quản dữ liệu gốc, như dữ liệu ảnh, bản

đồ cũ… Cấu trúc vector được sử dụng rộng rãi hơn trong lưu trữ thông tin bản đồ mới do đặc tính mềm dẻo của nó Thực tế, có thể sử dụng phối hợp cả hai loại cấu trúc trên

d- Topology

- Khái niệm: Topology là thuộc tính không gian của đối tượng Nó phản ánh các mối quan hệ giữa các đối tượng hoặc các thành phần của chúng trong không gian, ví dụ, hai đối tượng nằm bên trái, bên phải, hay phủ nhau

- Các tình huống topology

Khi mô tả topology cần xem xét các tình huống sau:

+ Liên thông (connective);

+ Phủ (overlap);

+ Kề (adjacency);

+ Lân cận (neighbouhood)

1.2 CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM, ĐẶC ĐIỂM CỦA TƯ LIỆU VIỄN THÁM, KHẢ NĂNG KHAI THÁC TƯ LIỆU VIỄN THÁM TRONG THÀNH LẬP BẢN ĐỒ 3D

1.2.1 Tổng quan về tư liệu viễn thám

Trên thực tế, có nhiều định nghĩa về Viễn thám Có thể định nghĩa Viễn thám

như sau: Viễn thám là một khoa học và là một công nghệ nghiên cứu các thông tin

thu nhận được thông qua phân tích các dữ liệu nhận được bằng các công cụ kỹ thuật

mà không tiếp xúc trực tiếp với đối tượng, một vùng hay một hiện tượng tự nhiên hay dân cư, kinh tế

Hình 1.3 Nguyên lý viễn thám quang học

(Trích từ http://www.gisgpstoancau.com)

Mặc dù có rất nhiều định nghĩa khác nhau về Viễn thám, nhưng mọi định nghĩa đều có nét chung, nhấn mạnh "Viễn thám là khoa học thu nhận và xử lý thông tin về các đối tượng, hiện tượng trên Trái Đất từ xa mà không tiếp xúc trực tiếp với

chúng"

Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý thu nhận và xử lý số liệu viễn thám

Trên hình là sơ đồ nguyên lý thu nhận tư liệu viễn thám và những trình tự công nghệ cơ bản được sử dụng trong viễn thám

Thông tin viễn thám thu nhận được nhờ các công cụ, thiết bị khác nhau từ một khoảng cách nhất định đối với đối tượng nghiên cứu thông qua năng lượng điện

từ phản xạ từ bề mặt Trái Đất

Sóng điện từ hoặc được phản xạ hoặc được bức xạ từ vật thể thường là nguồn tư liệu chủ yếu trong viễn thám Tuy nhiên, những dạng năng lượng khác như từ trường, trọng trường cũng có thể được sử dụng để khai thác thông tin

Các thiết bị dùng để cảm nhận sóng điện từ phản xạ hay bức xạ từ vật thể được gọi là bộ viễn cảm (remote sensor) thường gọi tắt là bộ cảm Các buồng chụp ảnh hoặc máy quét là những ví dụ về bộ cảm

Phương tiện bay được sử dụng để mang các bộ cảm được gọi là vật mang (platform) Máy bay hoặc vệ tinh nhân tạo là những ví dụ về vật mang

Thuật từ viễn thám đựơc sử dụng đầu tiên ở Mỹ vào những năm 1960 bao hàm cả các lĩnh vực như đo ảnh, giải đoán ảnh, địa chất ảnh

Các tính chất của vật thể có được xác định thông qua các năng lượng bức xạ hoặc phản xạ từ vật thể Viễn thám là một công nghệ nhằm xác định và nhận biết đối tượng hoặc các điều kiện môi trường thông qua những đặc trưng riêng về phản

xạ và bức xạ

Bức xạ điện từ truyền năng lượng điện từ trên cơ sở các dao động của trường điện từ trong không gian hoặc trong lòng các vật chất Qúa trình lan truyền của sóng điện từ tuân theo định luật Maxwel Bức xạ điện từ có các tính chất sóng và hạt

Hình 1.5 Một số khái niệm cơ bản về bức xạ điện từ và khả năng khai thác thông tin

Tính chất sóng được xác định bởi bước sóng, tần số và tốc độ lan truyền Tính chất hạt được mô tả theo các tính chất của quang lượng tử hay photon Bức xạ điện từ có 4 tính chất cơ bản đó là tần số hay bước sóng, hướng lan truyền, biên độ

và mặt phân cực Hình trên (hình 1.5) là một số khái niệm cơ bản về bức xạ điện từ

và các thông tin có thể nhận biết được thông qua những tính chất của nó Bốn thuộc tính cơ bản của bức xạ điện từ liên quan tới các nội dung thông tin khác nhau Ví dụ tần số hay bước sóng liên quan tới màu sắc Hình dạng hay cấu trúc bên ngoài của vật thể dẫn tới sự phân cực khác nhau của bức xạ điện từ …

Tớnh chất súng được mụ tả thụng qua biểu thức:

 = v / f

Súng điện từ lan truyền trong chõn khụng với vận tốc khụng đổi và bằng 2.998 x 108 m/s Trong lũng khớ quyển và trong lũng cỏc vật chất khỏc súng điện từ lan truyền với vận tốc nhỏ hơn nhưng cũng gần bằng vận tốc lý thuyết như vậy

Tớnh chất hạt được mụ tả qua cỏc định luật của cơ học lượng tử Súng điện từ đựơc coi như cỏc lượng tử Năng lượng E của nú xỏc định theo cỏc biểu thức

E = hf trong đó: h là hằng số Plank và f là tần số

Cỏc hiện tượng quang điện từ đều cú thể được giải thớch dựa trờn cỏc tớnh chất súng và hạt của súng điện từ Bức xạ điện từ cú 4 thụng số cơ bản đú là tần số, hướng lan truyền, biờn độ và mặt phõn cực

Cỏc thụng số này cú thể sử dụng trong việc khai thỏc thụng tin ảnh Vớ dụ tần

số cú thể được dựng để xỏc định vận tốc chuyển động của vật thể dựa trờn hiệu ứng Doppler, hướng lan truyền được sử dụng để phỏt hiện cỏc cấu trỳc của đối tượng, Biờn độ thể hiện mức độ sỏng tối của vật thể và được sử dụng như những phần tử giải đoỏn ảnh cơ bản, mặt phõn cực được sử dụng để xỏc định hỡnh dạng của vật thể bởi lẽ ỏnh sỏng phản xạ trờn cỏc bề mặt tương tự nhau sẽ cho cỏc chựm tia cú mặt phõn cực giống nhau

Tất cả cỏc vật thể đều phản xạ, hấp thụ, phõn tỏch và bức xạ súng điện từ bằng cỏc cỏch thức khỏc nhau và cỏc đặc trưng này thường được gọi là đặc trưng phổ Năng lượng súng điện từ E được mụ tả theo hàm số:

E=hc/ trong đó: h là hằng số Plank, c là vận tốc ánh sáng và  là b-ớc sóng

Hiệu năng lượng AE = E1 – E2 = hc/ H Trong đú H là sự chờnh lệch về thế

của điện tử trong nguyờn tử vật chất mụ tả năng lượng điện từ bị hấp thụ bởi vật chất Khi bức xạ điện từ tương tỏc với vật chất thỡ cỏc nguyờn tử trờn bề mặt của vật chất sẽ cú sự thay đổi trạng thỏi Sự thay đổi trạng thỏi này phụ thuộc vào từng chất

và trạng thỏi vật lý của nú dẫn đến cỏc bề mặt vật chất đú hoặc hấp thụ, phản xạ hoặc cho súng điện từ truyền qua

trong đó:  là b-ớc sóng, v là vận tốc và f là tần số

Các dải sóng điện từ được đặt tên khác nhau bắt đầu từ tia gamma, tia X, tia cực tím, sóng nhìn thấy, tia hồng ngoại và sóng vô tuyến Nhìn chung dải phổ sử dụng trong viễn thám bắt đầu từ vùng cực tím (0.3-0.4 µm), sóng ánh sáng nhìn thấy (0.4-0.7 µm), sóng cực ngắn và hồng ngoại nhiệt Các sóng hồng ngoại ngắn mới đây đựơc sử dụng rộng rãi trong phân loại thạch học Sóng hồng ngoại nhiệt đựơc sử dụng trong đo nhiệt, sóng micro mét được sử dụng trong kĩ thuật radar

Hình 1.6 Đặc trưng dải sóng dùng trong viễn thám 5

band W V CKr K

K u

sãng cùc ng¾n b-íc sãng dµi(cm) B-íc sãng

0.1nm 10nm 1 m 100 m 10mm 1m

100m 10km

nh×n thÊy hång ngo¹i

Sãng ng¾n hång ngo¹i

hång ngo¹i

sãng cùc ng¾n

EHF SHF UHF VHF HF MF LF

VLF

sãng radio

Viễn thám có thể được phân thành 3 loại cơ bản theo bước sóng sử dụng:

1 Viễn thám trong dải sóng nhìn thấy và hồng ngoại

2 Viễn thám hồng ngoại nhiệt

3 Viễn thám siêu cao tần

Hình 1.7 Sơ đồ phân loại viễn thám theo bước sóng 5

ViÔn th¸m trong d¶i sãng nh×n thÊy vµ hång ngo¹i

ViÔn th¸m hång ngo¹i nhiÖt

ViÔn th¸m siªu cao tÇn

Bé c¶m

Nguån bøc x¹

Bøc x¹ ph¶n x¹ a

b

Bøc x¹ ph¸t x¹

B

é

c

¶ m

Nguồn năng lượng chính sử dụng trong nhóm a là bức xạ mặt trời Bức xạ Mặt trời có bước sóng là 0.5 micro mét Tư liệu viễn thám thu được trong dải sóng nhìn thấy phụ thuộc chủ yếu vào sự phản xạ từ bề mặt vật thể và bề mặt Trái Đất

Vì vậy, các thông tin về vật thể có thể được xác định từ các phổ phản xạ Đây là nhóm kỹ thuật được sử dụng nhiều nhất Nó cho hình ảnh chất lượng rất cao và hợp với tư duy giải đoán của con người Điểm yếu của nó là rất phụ thuộc vào thời tiết Chỉ những khi trời trong, không mây, không mưa thì tư liệu thu được mới có thể sử dụng được

Nguồn năng lượng sử dụng trong nhóm b là bức xạ nhiệt do chính vật thể sản sinh ra Mỗi vật thể trong nhiệt độ bình thường đều tự phát ra một bức xạ và có đỉnh tại bước sóng 10 µm Các bộ cảm dựa theo nguyên lý này thường thu nhận thông tin

về đêm Tư liệu thu được cho phép xác định các nguồn nhiệt trên bề mặt Trái Đất

Trong viễn thám siêu cao tần, hai loại kỹ thuật chủ động và bị động đều được

áp dụng Viễn thám siêu cao tần bị động thì bức xạ siêu cao tần do chính vật thể phát ra được máy thu ghi lại; trong khi viễn thám siêu cao tần chủ động lại thu những bức xạ, tán xạ hoặc phản xạ từ vật thể sau khi được phát ra từ các máy phát đặt trên vật mang Nhìn chung, kỹ thuật chủ động được ứng dụng nhiều và cho hiệu quả cao bởi lẽ điều kiện quan trắc không bị giới hạn bởi điều kiện không mây của khí quyển Tuy nhiên việc giải đoán vẫn còn nhiều khó khăn bởi lẽ những thông tin thu được phản ảnh chủ yếu trạng thái cấu trúc vật lý bề mặt của đối tượng chứ không liên quan nhiều tới thành phần vật chất của đối tượng Nhóm kỹ thuật này vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu và phát triển, nó hứa hẹn một tương lai ứng dụng đặc biệt cho các vùng nhiệt đới ẩm có mưa và mây hầu như quanh năm

Theo thiết bị mang có thể chia tư liệu viễn thám thành hai loại chủ yếu

* Viễn thám hàng không

Trong viễn thám hàng không, các bộ cảm thu chụp thẳng đứng hoặc cạnh sườn, được lắp đặt trên máy bay để chụp ảnh mặt đất Ưu điểm chính của ảnh chụp

từ máy bay so với ảnh chụp từ vũ trụ là lực phân giải không gian của hình ảnh (20

cm hoặc hơn thế nữa) Nhược điểm là diện tích chụp nhỏ và giá thành cao tính trên

đơn vị diện tích Ảnh máy bay thường chụp theo phi vụ còn ảnh chụp từ vũ trụ cho phép theo dõi thường xuyên bề mặt mặt đất

Hình 1.9 Ảnh hàng không độ phân giải cao (Trích từ Sách Địa hình quân sự do Nhà xuất bản QĐND xuất bản năm 2009)

Ảnh số cho phép chuyển trong thời gian thực (real-time) từ thiết bị chụp (sensors) về trạm thu trên mặt đất Ảnh số cho phép phân tích và giải đoán trên máy

tính

* Viễn thám vũ trụ

Hình 1.10 Viễn thám vũ trụ (Trích từ Sách Địa hình quân sự do Nhà xuất bản QĐND xuất bản năm 2009)

Trong viễn thám vũ trụ, các thiết bị thu chụp được lắp trên các vệ tinh nhân tạo hoặc tàu vũ trụ Hiện tại có nhiều vệ tinh viễn thám bay quanh Trái Đất Một số

ưu điểm: độ bao phủ lớn; thu chụp lặp cùng một diện tích; nhờ vào các sensor vô tuyến định vị để đo định các đối tượng mặt đất; xử lý và phân tích bán tự động; giá thành khá rẻ trên một đơn vị diện tích

Trong tương lai gần, các loại ảnh vũ trụ thương mại lực phân giải mặt đất 2,5

m, 1 m và cao hơn (ảnh vệ tinh SPOT 5, IKONOS, QUICKBIRD… sẽ là yếu tố quan trọng trong việc giảm giá thành của viễn thám vũ trụ

Hiện nay trên thế giới đã xuất hiện rất nhiều nguồn cung cấp các dịch vụ về viễn thám với các dạng tư liệu phong phú, đa dạng Nhưng để chọn ra loại ảnh nào,

độ phân giải là bao nhiêu phù hợp cho mục đích yêu cầu của công việc cần thực hiện đặt ra bài toán cho các nhà quản lý, kỹ thuật Không phải cứ tiếp nhận, trang bị những tư liệu đắt tiền, ảnh với lực phân giải cao nhất là phục vụ tốt cho công việc

cụ thể, mà yếu tố có ý nghĩa quyết định là đội ngũ chuyên gia xử lý và giải đoán ảnh

có trình độ cao và giàu kinh nghiệm nghiên cứu, phân tích ảnh gồm cả ảnh số và ảnh tương tự (analog) của từng chuyên ngành sử dụng các ảnh và trang thiết bị cao cấp đã được trang bị

1.2.2 Xử lý thông tin viễn thám và khả năng khai thác tư liệu viễn thám trong thành lập bản đồ 3D

Xử lý thông tin viễn thám và khả năng khai thác tư liệu viễn thám trong thành lập bản đồ 3D là một trong những khâu quan trọng nhất của kỹ thuật viễn thám Một trong những cơ sở của việc xử lý thông tin viễn thám là những đặc điểm phổ phản xạ của các đối tượng tự nhiên

Một bức ảnh là hình ảnh được ghi lại ở một thời điểm nhất định, bước sóng nhất định, ở đó, sự tương tác giữa các chất hóa học nhạy cảm với ánh sáng trên phim chụp Các hình ảnh này được mô tả dưới dạng các đặc tính chủ yếu, những tính chất thông thường đó là: tỷ lệ, độ sáng và tông ảnh, độ tương phản, độ phân giải

Về giải đoán ảnh, có 3 bước: đọc ảnh để nhận dạng ảnh (vùng núi, rừng, sông, hồ…), phân tích ảnh, và đánh giá ảnh Các yếu tố cần giải đoán ảnh bao gồm: dạng ảnh, kích thước ảnh, bóng ảnh, tông ảnh, màu ảnh, kiến trúc ảnh và tần suất biến đổi tông trên ảnh

Các yếu tố tự nhiên cần chỳ ý khi giải đoán: địa hình, thảm thực vật, các kiểu mạng lưới sông suối và mật độ, các dạng xói mòn, sử dụng đất - đất canh tác, hệ thống khe nứt và hình dạng, tổ hợp các yếu tố giải đoán giúp hiệu chỉnh và loại bỏ những sai sót do lầm lẫn để nâng cao độ chính xác

1.3 ĐẶC ĐIỂM CỦA CÔNG NGHỆ GIS, VAI TRÒ CHỨC NĂNG CỦA GIS

1.3.1 Định nghĩa về GIS

- Đã có rất nhiều định nghĩa về GIS xuất phát từ những bối cảnh, mục đích

sử dụng hoặc quan điểm khoa học khác nhau Định nghĩa của hãng ESRI có tính

khái quát hơn, được sử dụng phổ biến hơn cả:“GIS là một tập hợp có tổ chức bao

gồm phần cứng, phần mềm máy tính, dữ liệu địa lý và con người, được thiết kế nhằm mục đích nắm bắt, lưu trữ, cập nhật, điều khiển, phân tích và kết xuất tất cả những dạng thông tin liên quan đến vị trí địa lý”

- Trong nghiên cứu về Tài nguyên, môi trường và nghiên cứu Địa lý, các nhà khoa học thường quan tâm nhiều đến đối tượng và mục đích nghiên cứu Ở Việt Nam, định nghĩa được nhiều người biết đến và sử dụng là định nghĩa của GS.TSKH

Đặng Hùng Võ, TS Lê Tiến V-ơng đ-a ra trong "Tập bài giảng các kiến thức cơ

bản về Hệ thống thông tin địa lý - HTTĐL" - Khoa Trắc địa - Bản đồ, Đại học Mỏ -

Địa Chất Hà Nội , 1997

1.3.2 Cỏc thành phần cơ bản của GIS

GIS được kết hợp bởi 5 thành phần chớnh: con người, phần cứng, phần mềm,

cơ sở dữ liệu và quy trỡnh

Hỡnh 1.11 Cấu trỳc của GIS (Trớch từ Tập bài giảng Bản đồ học hiện đại và mụ hỡnh húa bản đồ của

PGS.TS Nguyễn Trần Cầu)

Chuyờn gia: Cú thể coi thành phần quan trọng nhất trong một hệ GIS là con

người Cụng nghệ GIS sẽ khụng phỏt huy được tỏc dụng và giỏ trị của nú nếu khụng

Cấu trúc của GIS

Ch-ơng trình phần mềm:

-Các thiết bị ngoại vi:

+Máy quét, Bàn số hoá,

có con người tham gia quản lý hệ thống và phát triển những ứng dụng GIS trong thực tế Người sử dụng GIS là những chuyên gia kỹ thuật, người thiết kế và duy trì

hệ thống hoặc những người dùng GIS để giải quyết các nhiệm vụ nghiên cứu, thực hiện các các mục tiêu nghiên cứu của họ

Trong hệ thông tin địa lý, phần con người được biết đến dưới các tên gọi khác như: phần não, phần sống (liveware) Con người gián tiếp hoặc trực tiếp tham gia vào việc thiết lập, khai thác và bảo trì hệ thống Có hai nhóm người quan trọng trực tiếp quyết định sự tồn tại và phát triển của GIS là người sử dụng và người quản lý sử dụng GIS Đội ngũ những người sử dụng GIS bao gồm các thao tác viên, kỹ thuật viên hỗ trợ kỹ thuật và các chuyên gia trên nhiều lĩnh vực khác nhau có sử dụng thông tin địa lý Người sử dụng trở thành một thành phần của GIS khi tiến hành những phép phân tích phức tạp, các thao tác phân tích không gian và mô hình hoá Công việc này yêu cầu các kỹ năng chọn lựa và sử dụng những công cụ từ hộp công

cụ của GIS và có kiến thức về các dữ liệu đang được sử dụng

* Phần cứng: Về cơ bản, hệ thống thiết bị phần cứng của một hệ GIS bao gồm

các phần chính là: bộ xứ lý trung tâm (CPU); các thiết bị đầu vào như bàn số hoá, máy quét, các thiết bị thu nhận thông tin điện tử; các thiết bị lưu trữ, hiển thị như thiết bị ghi ngoài, màn hình, máy vẽ Phần cứng của hệ thống thông tin địa lý được xem như là phần cố định mà bằng mắt thường ta có thể dễ dàng thấy được Các thiết

bị này cũng hết sức đa dạng về kích cỡ, kiểu dáng, tốc độ và độ phân giải do các hãng khác nhau sản xuất, chúng được kết nối với máy tính để thực hiện việc nhập và xuất dữ liệu

Máy tính hoặc bộ xử lý trung tâm được nối với thiết bị chứa ổ đĩa, cung cấp không gian để lưu số liệu và các chương trình Sự liên hệ bên trong của máy tính cũng có thể thực hiện thông qua một hệ thống mạng với các đường dẫn dữ liệu đặc biệt Người sử dụng máy tính và các thiết bị ngoại vi khác thông qua một số thiết bị hiển thị hình ảnh để cho phép các sản phẩm đầu ra được hiển thị nhanh chóng

* Phần mềm: phần mềm GIS rất đa dạng và phong phú do các hãng khác nhau

sản xuất Các phần mềm GIS có thể giống nhau ở chức năng song khác về tên gọi,

hệ điều hành hay môi trường hoạt động, giao diện, khuôn dạng dữ liệu không gian

và hệ quản trị cơ sở dữ liệu Theo thời gian, phần mềm GIS đã phát triển ngày càng thân thiện với người dùng, toàn diện về chức năng và có khả năng quản lý dữ liệu rất hiệu quả Tuy nhiên, do sự tăng mạnh số người bán cũng như năng lực của GIS đã khiến cho sự lựa chọn phần mềm GIS trở thành một quyết định không đơn giản để lựa chọn phần mềm một cách hợp lý Phải căn cứ vào mục đích sử dụng, năng lực tài chính và trình độ cán bộ Về quy mô hay mục đích sử dụng, GIS có thể được dùng ở cấp Địa phương, Quốc gia, Khu vực hay toàn cầu cho mục đích giáo dục đào tạo, nghiên cứu khoa học, quy hoạch và quản lý Do vậy, có thể lựa chọn phầm mềm GIS tổng quát hay chuyên dụng Để tạo thuận lợi cho việc kết nối, chia sẻ dữ liệu nên chọn dùng các hệ đã được tin dùng ở nhiều nơi, các hệ mở dễ thích ứng với những thay đổi và dễ xuất nhập, trao đổi dữ liệu với các hệ khác

Phần mềm GIS là các lệnh chi tiết kiểm soát vận hành của hệ thống máy tính Không có phần mềm thì phần cứng máy tính không thể thực hiện được nhiệm vụ mà chúng ta trao cho máy tính Các chức năng cơ bản của phần mềm là:

- Quản lý tài nguyên máy tính (của tổ chức)

- Cung cấp công cụ cho ta tận dụng ưu thế của những tài nguyên máy tính

- Hành động như một trung gian giữa tổ chức và thông tin được lưu trữ

* Cơ sở dữ liệu: Phần dữ liệu GIS bao gồm dữ liệu không gian và thuộc tính

(phi không gian) Dữ liệu không gian là dữ liệu về vị trí của các đối tượng trên mặt đất theo một hệ quy chiếu xác định Nó có thể được biểu diễn dưới dạng các ô lưới hay các cặp tọa độ hoặc cả hai, tuỳ thuộc vào khả năng của từng phần mềm cụ thể

Dữ liệu phi không gian là dữ liệu thuộc tính hay dữ liệu mô tả các đối tượng địa lý

Dữ liệu thuộc tính thường được trình bày dưới dạng bảng Sự kết nối giữa dữ liệu không gian và dữ liệu phi không gian trong GIS là cơ sở để xác định chính xác các đối tượng địa lý và thực hiện phân tích tổng hợp GIS Việc xây dựng một cơ sở dữ liệu GIS là một đầu tư lớn về thời gian, công sức và tiền bạc Do vậy, phần dữ liệu GIS phải được quản lý, khai thác một cách an toàn, tiện lợi, hợp lý và hiệu quả

Cơ sở dữ liệu là hệ thống các thông tin được lưu trữ dưới dạng số theo các khuôn dạng mà máy tính có thể hiểu và đọc được, hiển thị được Cơ sở dữ liệu trong GIS phải luôn được cập nhật theo thời gian Như vậy, dữ liệu trong hệ thống sẽ là dữ liệu đa thời gian Có thể nói, cơ sở dữ liệu là “linh hồn” của một hệ thống thông tin địa lý Ngoài ra, với sự phát triển không ngừng của công nghệ thông tin, với nhu cầu chính xác hoá và hợp pháp hoá các thông tin đưa vào hệ thống, chúng ta có loại thông tin đặc biệt trong GIS, đó là “Siêu dữ liệu” (Metadata)

* Quy trình (phương pháp): Một hệ GIS thành công theo khía cạnh thiết kế và

luật thương mại là được mô phỏng và thực thi duy nhất cho mỗi tổ chức Để thành công, một hệ GIS phải nằm trong một khung tổ chức thích hợp GIS được vận hành bởi các nhân viên báo cáo với quản lý, ban quản lý đó được giao sứ mệnh khai thác

cơ sở GIS theo cách thức phục vụ cộng đồng người dùng trong phạm vi một ngành nghề, doanh nghiệp hay một cơ quan Chính phủ Cuối cùng, mục đích và giải trình cho cơ sở GIS là giúp người dùng thực hiện các mục tiêu của cơ quan, tổ chức

1.3.3 Tầm quan trọng của GIS

* Vai trò của GIS:

- GIS tích hợp thông tin không gian và các loại thông tin khác về không gian trong cùng một hệ thống đơn giản Nó đưa ra một khuôn mẫu nhất quán để phân tích thông tin địa lý

- GIS cho phép ta tính toán và trình bày các kiến thức địa lý theo một cách mới, hấp dẫn, khai thác nhanh chóng, thuận tiện

- GIS liên kết các hoạt động giống nhau về địa lý

* Khả năng của GIS:

- Nhập dữ liệu từ những nguồn dữ liệu khác nhau

- Lưu trữ (Storing) và duy trì thông tin cùng các mối quan hệ không gian cần thiết

- Thao tác trên dữ liệu, tìm kiếm, chuyển đổi, hiệu chỉnh, tính toán…

- Lập mô hình ứng dụng (phân tích, tổng hợp, dự báo, thiết kế, quy hoạch, ra quyết định…)

- Trình diễn (chiết xuất) sản phẩm dưới các dạng khác nhau: văn bản, bảng biểu, hình ảnh video, ảnh số, bản đồ số, bản đồ chế tạo từ máy tính điện tử và máy

vẽ

1.3.4 Chức năng cơ bản của GIS:

GIS là một hệ thống chặt chẽ được kết hợp bởi nhiều thành phần khác nhau, mỗi thành phần đều có một chức năng riêng và không thể thiếu trong hệ thống Các thành phần này có quan hệ mật thiết, gắn bó, hỗ trợ với nhau thành một thể thống nhất bảo đảm cho hệ thống hoạt động một cách nhịp nhàng, đạt hiệu quả cao về mặt khoa học, công nghệ và kinh tế Một hệ thống GIS hoàn chỉnh sẽ mang lại những chức năng cần thiết và quan trọng cho người sử dụng Khi đó, việc khai thác và sử dụng những chức năng này sẽ đem lại hiệu quả công việc cao cho người dùng

Với những thành phần như trên, GIS có thể và phải đảm đương các chức năng sau: thu thập dữ liệu, lưu trữ dữ liệu, quản lý dữ liệu, phân tích dữ liệu, hiển thị dữ liệu và kết xuất dữ liệu

* Thu thập dữ liệu: Trước khi dữ liệu địa lý có thể được dùng cho GIS, dữ liệu

này phải được chuyển sang dạng số thích hợp Quá trình chuyển dữ liệu từ bản đồ giấy sang các file dữ liệu dạng số được gọi là số hoá Công nghệ GIS hiện đại có thể thực hiện tự động hoàn toàn quá trình này với công nghệ quét ảnh cho các đối tượng lớn, những đối tượng nhỏ hơn đòi hỏi một số quá trình số hoá thủ công [sử dụng bàn

số hoá (Digitiser)] Ngày nay, nhiều dạng dữ liệu địa lý có các định dạng tương thích GIS Những dữ liệu này có thể thu được từ các nhà cung cấp dữ liệu và được nhập trực tiếp vào GIS Việc nhập dữ liệu được thực hiện nhờ các thiết bị như: bàn số hoá (Digitiser), máy quét (Scaner), bàn phím (Keyboad) và các chương trình phần mềm hay mô đun nhập và chuyển đổi dữ liệu của GIS

Nhập dữ liệu là quá trình đưa dữ liệu vào máy tính một cách trực tiếp hay gián tiếp với sự trợ giúp của các phần mềm và các thiết bị ngoại vi Đây là một chức năng quan trọng của GIS và là bước đầu tiên để tạo ra cơ sở dữ liệu địa lý cần thiết cho các dự án phân tích và mô hình hoá không gian bằng GIS GIS có khả năng tiếp nhận các loại dữ liệu về các đối tượng tự nhiên và xã hội từ nhiều nguồn, ở các tỷ lệ

và khuôn dạng khác nhau như từ các bản đồ, các bảng, các file dữ liệu toạ độ và dữ liệu thuộc tính Dữ liệu về các đối tượng địa lý bao gồm: dữ liệu không gian và phi không gian Hai loại dữ liệu đó có thể tồn tại ở dạng tương tự hay dạng số và luôn đi với nhau để biểu diễn đầy đủ về các đối tượng địa lý Mục đích của việc nhập dữ liệu bằng GIS là để tạo ra trong máy tính một cơ sở dữ liệu số mới hay bổ sung, cập nhật một cơ sở dữ liệu số sẵn có

Ta có thể nhập dữ liệu không gian vào trong máy tính theo một trong các cách sau:

- Số hoá bản đồ bằng bàn số hoá (Digitiser) hoặc qua ảnh quét của bản đồ

- Quét bản đồ bằng máy quét (Scaner)

- Nhập tọa độ các điểm bằng bàn phím (Keyboad)

- Nhập dữ liệu số lưu trữ trên băng, trên đĩa vào máy tính

- Nhập dữ liệu từ các máy tính khác thông qua mạng

Tương tự, ta cũng có thể nhập dữ liệu thuộc tính vào máy tính bằng một trong các cách sau:

- Đưa dữ liệu thuộc tính vào trong máy tính bằng bàn phím

- Nhập các file dữ liệu thuộc tính sẵn có trên băng từ hay đĩa quang

- Nhập các file dữ liệu thuộc tính sẵn có trên máy khác thông qua mạng nội bộ (LAN) hay Internet

Nhập dữ liệu là một bước quan trọng trong việc tạo mới, bổ sung và cập nhật

cơ sở dữ liệu GIS Do vậy, trước khi tiến hành nhập dữ liệu cần tiến hành so sánh các phương pháp hiện có để tìm ra phương pháp thích hợp nhất với mục đích nhập

và sử dụng dữ liệu GIS sau này Có thể so sánh, đánh giá các phương pháp nhập dữ liệu khác nhau trên cơ sở xem xét các yếu tố sau:

- Thời lượng cần để chuẩn bị dữ liệu

- Thời lượng cần để vào dữ liệu

- Độ chính xác của dữ liệu và ảnh hưởng của nó đến các quá trình biên tập và

xử lý dữ liệu

* Lưu trữ dữ liệu: Có những trường hợp các dạng dữ liệu đòi hỏi được chuyển

dạng và thao tác theo một số cách để có thể tương thích với một hệ thống nhất định

Ví dụ, các thông tin Địa lý có giá trị biểu diễn khác nhau tại các tỷ lệ khác nhau (hệ thống đường phố được chi tiết hoá trong file giao thông sẽ kém chi tiết hơn trong file điều tra dân số) Trước khi các thông tin này được kết hợp với nhau, chúng phải được chuyển về cùng một tỷ lệ, mức chính xác hoặc mức chi tiết Đây có thể chỉ là

sự chuyển dạng tạm thời cho mục đích hiển thị hoặc cố định cho nhu cầu phân tích Công nghệ GIS cung cấp nhiều công cụ cho các thao tác trên dữ liệu không gian và cho phép loại bỏ những dữ liệu không cần thiết

Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của máy tính điện tử các công nghệ mới liên tục được ra đời và nâng cấp Do đó, các thiết bị lưu trữ dữ liệu càng hiện đại và tiện dụng Chúng ta có thể lưu trữ những dạng siêu dữ liệu một cách đơn giản, hiệu quả và rất an toàn trong những ổ đĩa dung lượng lớn

* Quản lý dữ liệu: Đối với những dự án GIS nhỏ, có thể lưu các thông tin địa lý

dưới dạng các file đơn giản Tuy nhiên, khi kích cỡ dữ liệu trở nên lớn hơn và số lượng người dùng cũng nhiều lên thì cách tốt nhất là sử dụng hệ quản trị cơ sở dữ liệu (DBMS) để giúp cho việc lưu trữ, tổ chức và quản lý thông tin Một DBMS đơn giản là một phần mềm quản lý cơ sở dữ liệu Có nhiều cấu trúc DBMS khác nhau, nhưng trong GIS cấu trúc quan hệ tỏ ra hữu hiệu nhất Trong cấu trúc quan hệ, dữ liệu được lưu trữ dưới dạng bảng Các thuộc tính chung trong các bảng khác nhau được dùng để liên kết những bảng này với nhau Do linh hoạt nên cấu trúc đơn giản này được sử dụng và triển khai khá rộng rãi trong các ứng dụng cả trong và ngoài GIS

Việc xây dựng một cơ sở dữ liệu GIS lớn bằng các phương pháp nhập dữ liệu khác nhau thường rất tốn kém về thời gian, công sức và tiền bạc Số chi phí bằng tiền cho việc xây dựng cơ sở dữ liệu có thể lớn hơn hẳn chi phí phần cứng và phần mềm GIS Điều đó phần nào nói lên ý nghĩa của việc quản lý dữ liệu - một chức năng quan trọng của tất cả các hệ thông tin Địa lý Chức năng này bao gồm việc tổ chức lưu trữ và truy cập dữ liệu sao cho hiệu quả nhất

Trong lĩnh vực quản lý dữ liệu cần phân biệt giữa dữ liệu logic và dữ liệu vật

lý Dữ liệu logic là hình ảnh logic về dữ liệu hiện ra trước người sử dụng còn dữ liệu vật lý bao gồm các chi tiết tổ chức dữ liệu trong bộ nhớ hay trên môi trường lưu trữ được giấu đi đối với người sử dụng thông qua phần mềm quản lý dữ liệu Như vậy, phần mềm quản lý dữ liệu cho phép người sử dụng dữ liệu tiếp cận dữ liệu một cách

có hiệu quả và không bận tâm với các chi tiết vật lý về lưu trữ và truy cập

Chức năng quản lý dữ liệu của GIS được trợ giúp bởi hệ quản trị cơ sở dữ liệu, ngôn ngữ hỏi đáp và giao diện người dùng Cơ sở dữ liệu là một tập hợp dữ liệu có cấu trúc bao gồm các file dữ liệu Hệ quản trị cơ sở dữ liệu là một phần mềm quản lý

dữ liệu cho phép một hoặc nhiều người làm việc với dữ liệu một cách có hiệu quả Các hợp phần căn bản của hệ phải cung cấp các phương tiện để xác định nội dung của cơ sở dữ liệu, đưa vào dữ liệu mới, xoá dữ liệu cũ, hỏi về nội dung cơ sở dữ liệu

và thay đổi nội dung cơ sở dữ liệu Hệ quản trị cơ sở dữ liệu giống như một ngôn ngữ máy tính bậc cao ở chỗ các chức năng nguyên thuỷ như các chi tiết của hệ điều hành yêu cầu mở và đóng các file được giấu kín với người sử dụng

Trong quản lý cơ sở dữ liệu GIS cần chú ý tới các vấn đề sau:

- Các dữ liệu bản đồ được quản lý theo hệ thống chồng ghép (Overlay System)

và dễ dàng truy cập từ bất kì lớp logic nào cùng với các Topology của chúng

- Các phương pháp truy cập dữ liệu gắn liền với hệ thống tổ chức, quản lý chúng

- Cơ sở dữ liệu tập trung và cơ sở dữ liệu phân tán của GIS

- Các chuẩn dữ liệu và việc bảo trì, nâng cấp

- Sự liên kết giữa các thành phần trong cơ sở dữ liệu và với các hệ thống khác

- Bảo mật thông tin và quyền truy cập vào hệ thống

- Tính đa nhiệm của cơ sở dữ liệu trong GIS

* Hỏi đáp và phân tích: Phân tích dữ liệu là chức năng quan trọng nhất của

GIS GIS cung cấp những công cụ cần thiết để phân tích dữ liệu không gian, dữ liệu thuộc tính và phân tích tổng hợp cả hai loại dữ liệu đó trong cơ sở dữ liệu để tạo ra thông tin mới, làm cơ sở cho việc ra các quyết định, đặc biệt là các quyết định liên

quan đến nhân tố không gian; làm cơ sở cho việc nghiên cứu, hoạch định các chính sách, quyết sách về quy hoạch lãnh thổ, sử dụng hợp lý lãnh thổ

Phân tích dữ liệu để rút ra các thông tin hữu ích là chức năng của các nhà chuyên môn thuộc các lĩnh vực khác nhau Phân tích dữ liệu và mô hình hoá không gian được xem như phần cốt lõi, phần trọng tâm và là chức năng quan trọng nhất của GIS Chính chức năng này khiến GIS khác biệt hẳn với các hệ thông tin khác Mục đích của phân tích dữ liệu và mô hình hoá không gian của GIS là để thu được: dữ liệu hữu ích hơn, câu trả lời về thế giới thực, giải pháp cho một vấn đề cụ thể

Dữ liệu địa lý bao gồm dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc tính Do vậy, việc phân tích dữ liệu địa lý bằng GIS sẽ bao gồm: phân tích dữ liệu không gian, phân tích dữ liệu thuộc tính và phân tích tổng hợp cả hai loại dữ liệu này Mô hình hoá không gian là quá trình phân tích tổng hợp dữ liệu không gian và thuộc tính để tạo ra các mô hình về thế giới thực phục vụ cho việc lựa chọn và ra quyết định

Ta có thể tiến hành phân tích dữ liệu với GIS thông qua các thao tác sau:

- Các thao tác logic: Các thao tác tìm kiếm trong cơ sở dữ liệu GIS thường được thực hiện trên cơ sở sử dụng đại số tập hợp hay đại số Boolean Đại số tập hợp dùng các toán tử: =, >, <, >=, <= Đại số logic sử dụng các toán tử AND, OR, XOR

và NOT để kiểm tra xem khai báo đúng hay sai

- Các thao tác số học: cho phép cộng, trừ, nhân, chia, lũy thừa, khai căn và giải các bài toán lượng giác đều được hỗ trợ bởi các GIS Chúng có thể được thực hiện trên cả dữ liệu thuộc tính và hình học

- Các thao tác hình học: bao gồm các tính toán về khoảng cách, diện tích, thể tích và hướng Về nguyên tắc, các khoảng cách phải được đo bằng một đơn vị thống nhất và một quy trình xác định Trong đa số GIS, chiều dài, chu vi, diện tích được tính tự động cho mỗi đường hay đa giác và được nối với các đối tượng như các thuộc tính Thể tích và hướng được tính trong các mô hình cao độ như tính thể tích đào, đắp, hướng, dốc

- Các thao tác thống kê: được áp dụng chủ yếu đối với các dữ liệu thuộc tính

Đa số các GIS cho phép thực hiện các thao tác toán thống kê như tính tổng, tính giá

trị cực đại, cực tiểu, trung bình, tần suất phân bố, độ lệch chuẩn Các hệ thông tin Địa lý có chức năng xử lý ảnh số cho phép thực hiện các thao tác thống kê trên dữ liệu vệ tinh

- Các thao tác mạng: mạng là một tập hợp các đối tượng dạng tuyến kết nối với nhau Hệ thống đường giao thông, đường cấp điện, cấp nước, thoát nước là những ví

dụ về mạng Mạng được dùng để di chuyển nguồn từ vị trí này tới vị trí khác Năng lực phân tích mạng của các phần mềm GIS hiện có rất khác nhau, chúng khác nhau

ở quy mô và tính phức tạp của mô hình mạng, mức độ thực hiện và mức độ điều khiển tương tác

- Các thao tác tiếp nối: một số hệ thông tin địa lý hỗ trợ các thao tác tiếp nối trên dữ liệu Raster, một quá trình đòi hỏi dịch chuyển từng ô một được bắt đầu từ một điểm xuất phát Các thao tác tiếp nối có thể được sử dụng để xác định khoảng cách đi lại trong một mạng giao thông, để nhận biết các khu vực có hình dạng, kích thước cho trước để tính lượng nước chảy trên bề mặt địa hình

- Các thao tác tiếp giáp: tất cả GIS đều hỗ trợ một dạng thao tác tiếp giáp nhất định, trong đó các giá trị thuộc tính được gán cho các điểm mới trên cơ sở các giá trị của những điểm cận kề Các dữ liệu Raster rất thích hợp với các thao tác tiếp giáp GIS cung cấp cả khả năng hỗ trợ hỏi đáp đơn giản “chỉ và nhấn” và quản lý các công cụ phân tích tinh vi để cung cấp kịp thời thông tin cho những người quản lý và phân tích Các hệ GIS hiện đại có nhiều công cụ phân tích hiệu quả, trong đó có hai công cụ quan trọng là:

- Phân tích liền kề: GIS sử dụng phương pháp vùng đệm để xác định mối quan

hệ liền kề giữa các đối tượng

Hình 1.12 Xác định vùng đệm thể hiện mối quan hệ giữa các đối tượng

- Phân tích chồng xếp: chồng xếp là quá trình tích hợp các lớp thông tin khác nhau Các thao tác phân tích đòi hỏi một hoặc nhiều lớp dữ liệu phải có liên kết vật

lý Sự chồng xếp này có thể là kết hợp dữ liệu về đất, độ dốc, thảm thực vật hoặc sở hữu đất với định giá thuế

Hình 1.13 Chồng ghép các lớp thông tin

* Hiển thị dữ liệu: với nhiều thao tác trên dữ liệu địa lý, kết quả cuối cùng

được hiển thị tốt nhất dưới dạng bản đồ hoặc biểu đồ Bản đồ là môi trường lưu trữ

và trao đổi thông tin địa lý rất hiệu quả GIS cung cấp nhiều công cụ mới và mạnh

để tăng cường tính nghệ thuật và khoa học của bản đồ và mở ra những hướng phát triển mới của khoa học bản đồ Bản đồ có thể kết hợp với các bản báo cáo, hiển thị được hình ảnh ba chiều, ảnh chụp và những dữ liệu khác (đa phương tiện), để thể hiện các thông tin đa dạng và phức tạp

Dữ liệu địa lý (Geodata) được tổ chức trong một cơ sở dữ liệu địa lý (database) Cơ sở dữ liệu là một sưu tập dữ liệu quy chiếu không gian đóng vai trò của một mô hình thế giới thực Dữ liệu địa lý gồm hai phần quan trọng là vị trí địa lý

và các thuộc tính của nó Nói cách khác, có thể phân biệt dữ liệu không gian (nó ở đâu?) và dữ liệu thuộc tính (nó là cái gì?)

Bản đồ là dữ liệu không gian vì thông tin bản đồ chứa đựng mối liên hệ trực tiếp với các vị trí nhất định trên mặt đất Bảng không chứa thông tin trực tiếp về vị trí mà chúng chứa thông tin mô tả Nếu ta chỉ có bảng thì dữ liệu sẽ không đầy đủ vì không xác định được vị trí các đối tượng ở đâu Nếu ta chỉ có bản đồ thì lượng thông tin thuộc tính về các đối tượng rất hạn chế Trong hệ thông tin địa lý, sự kết nối giữa

dữ liệu không gian và thuộc tính là chìa khoá để có được thông tin đầy đủ, phong phú về thế giới thực Ví dụ, bằng cách kết hợp 2 dạng dữ liệu: thông tin thuộc tính

và thông tin không gian chúng ta có thể có được các câu trả lời cho các câu hỏi như: các nhà cao hơn 20 tầng trong thành phố Hà Nội? Có bao nhiêu nhà chung cư đang

bị xuống cấp nặng cần sửa chữa? Số trường phổ thông cơ sở nằm trong địa phận quận Đống Đa là bao nhiêu?

- Hiển thị bản đồ và bảng: trong GIS, việc hiển thị bản đồ và bảng hay hiển thị

dữ liệu không gian và thuộc tính phụ thuộc vào từng phần mềm GIS cụ thể Nhìn chung có thể thực hiện công việc đó bằng các phương pháp sau:

+ Dùng chuột và bàn phím

+ Dùng thực đơn lệnh

+ Dùng cửa sổ bản đồ

+ Dùng cửa sổ bảng

+ Dùng hộp thoại để đưa vào các tham số hiển thị

Trong môi trường cửa sổ Windows của các phần mềm GIS, việc hiển thị dữ liệu địa lý được thực hiện một cách dễ dàng nhờ các thực đơn (Menu), thanh công

cụ (Toolbox) và các biểu tượng (Icon) Có thể dễ dàng di chuyển, thay đổi kích thước, sắp xếp, nhìn gần, nhìn xa, cuốn ngang, cuốn dọc từng cửa sổ bảng, từng cửa

sổ bản đồ để có thể biết rõ hơn và tầm nhìn rộng hơn về nội dung của bảng và bản

đồ

- Hiển thị bản đồ Vecter và Raster: thoạt nhìn thì hai loại bản đồ nói trên không khác nhau mấy, sự khác nhau sẽ rõ khi ta phóng to hay nhìn gần Bản đồ Vecter hiển thị các đường biên trơn, nhẵn giữa các đơn vị, trong khi bản đồ Raster có dạng khối Một lớp dữ liệu chuyên đề là một bản đồ về một đối tượng “đơn” được hiển thị trong của sổ bản đồ Ta có thể hiển thị nhiều lớp dữ liệu trong cùng một cửa sổ bản

đồ Tuy nhiên, một của sổ bản đồ chỉ có thể hiển thị được một bản đồ Raster cùng với nhiều bản đồ Vecter Nội dung của bản đồ được xác định bởi miền (domain) của bản đồ Cùng miền có thể được sử dụng bởi một bản đồ Vecter, một bản đồ Raster

và một bảng Có thể có miền lớp (class domain), miền giá trị (value domain), miền