“NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP THÀNH LẬP VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNGCỦA MÔ HÌNH SỐ ĐỘ CAO DEM” Sinh viên thực hiện : - Nguyễn Văn Đồng Lớp: 54-TĐBĐ - Phùng Quang Nam Giáo viên hướng dẫn : Lại Tuấn Anh
Trang 1“NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP THÀNH LẬP VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG
CỦA MÔ HÌNH SỐ ĐỘ CAO DEM”
Sinh viên thực hiện : - Nguyễn Văn Đồng Lớp: 54-TĐBĐ
- Phùng Quang Nam
Giáo viên hướng dẫn : Lại Tuấn Anh
DANH MỤC Danh mục và bảng biểu
Hình 4.3 Ứng dụng TIN để biểu thị sự biến động độ cao địa hình 22
Hình4.4 Biểu đồ khối biểu thị sự biến động của độ cao địa hình 26
Trang 2GIS Geographic Information System Hệ thống thông tin địa lý
GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu
DEM Digital Elevation Model Mô hình độ cao số
DTM Digital Terrain Model Mô hình địa hình số
DSM Digital Surface Model Mô hình bề mặt số
A.PHẦN MỞ ĐẦU
1.Đặt vấn đề (sự cần thiết của đề tài)
Gần đây, quá trình phát triển kinh tế - xã hội; sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá;tốc độ gia tăng dân số và tác động của thiên nhiên đã làm cho đất đai biến đổi cả về số lượng
Trang 3và chất lượng Việc thiếu đất sản xuất, đất ở, an toàn lương thực không được đảm bảo đã trở
thành một vấn đề lớn của toàn nhân loại nói chung và của Việt Nam nói riêng
Nước ta, với đặc điểm địa hình, địa mạo phức tạp rất đa dạng về loại hình thổ nhưỡng và
có khả năng sử dụng phong phú nên đất vùng đồi núi có vai trò rất quan trọng Tuy nhiên,việc khai thác và sử dụng đất vùng đồi núi cũng gặp phải rất nhiều những khó khăn và trởngại do địa hình bị chia cắt, quá trình rửa trôi dẫn đến hiện tượng thoái hoá, suy kiệt và hậuquả còn gây ảnh hưởng lớn đến vấn đề môi trường và sự tồn tại của các thế hệ tương lai Do
đó, ý thức được tầm quan trọng của các nguồn tài nguyên đối với sự phát triển và sự thịnhvượng của đất nước, Đảng và Nhà nước ta đã quan tâm đến công tác quản lý và bảo vệ tài
nguyên, đặc biệt là đất đai [1] Những quy định việc điều tra, đánh giá đất đai [2]; về xây dựng, quản lý, khai thác hệ thống thông tin đất đai [3].
Trước những vấn đề đó, việc xây dựng DEM là rất cần thiết vì DEM có nhiều ứng dụngtrong thực tiễn, DEM thể hiện được những ưu điểm vượt trội về sự mô phỏng tổng quan chânthực nhất về bề mặt Trái Đất, nó được ứng dụng cho nhiều mục đích nghiên cứu của cácngành khoa học Trái đất mang lại hiệu quả cao Đặc biệt trong phân tích địa hình - địa mạophục vụ cho công tác nghiên cứu địa động lực, địa động lực hiện đại xác định làm tiền đề
nghiên cứu các đứt gãy kiến tạo Chính vì thế mà chúng tôi quyết định chọn đề tài: “Nghiên cứu phương pháp thành lập và một số ứng dụng của mô hình số độ cao DEM” Nhằm
đưa ra những giải pháp thích hợp để quản lý bảo vệ đất, bảo vệ tài nguyên thiên nhiên mộtcách tôt nhất
2.Mục đích , yêu cầu của đề tài
- Áp dụng công nghệ GIS để thành lập bản đồ mô hình số độ cao
- Nghiên cứu một số ứng dụng của mô hình số độ cao
3.Phạm vi nghiên cứu
Khu vực tỉnh Thái Nguyên.
4.Phương pháp nghiên cứu
Sử dụng phần mềm ArcGIS và các số liệu thu thập được để tạo mô hình số độ cao.
B PHẦN NỘI DUNG
Chương I:
Trang 41.1 Khái niệm về mô hình số độ cao
1.1.1 Khái niệm
Mô hình số hoá độ cao (DEM) là sự thể hiện bằng số độ cao của bề mặt đất, độ cao của tầng đất, của mực nước ngầm so với độ cao của bề mặt đất
1.1.2 Các kiểu thể hiện mô hình số độ cao
-DEM được lưu trữ khác nhau tuỳ thuộc vào kiểu số liệu là Raster hayVector
a DEM dạng Raster:
• Trong mô hình Raster DEM : ma trận các ô vuông gồm các hàng và cột
• Mỗi một ô (cell) chứa giá trị độ cao của điểm trung tâm của ô
Hình 1.1 DEM – dạng Raster
Trang 5Hình 1.2 Mô hình DEM dạng Raster
Trang 61.2 Phương pháp thành lập và ứng dụng của DEM
1.2.1 Các phương pháp thành lập DEM
Hiện nay có rất nhiều các phương pháp thành lập mô hình số độ cao DEM, trong đó cómột số phương pháp được sử dụng chủ yếu như: thành lập DEM từ chụp ảnh lập thể, xâydựng DEM từ đường đồng mức, và phương pháp tiên tiến phức tạp hơn là xây dựng DEM từcông nghệ giao thoa Radar (IN-SAR)
- Các dạng DEM phổ biến : + DEM xây dựng từ vệ tinh ASTER;
+ DEM xây dựng từ vệ tinh SPOT
- Ví dụ: ảnh hàng không ảnh viễn thám
1.2.1.2 Phương pháp đường đồng mức
Bản đồ địa hình (gồm các đường đồng mức) thường được xây dựng từ các phương phápquan trắc địa được số hóa dưới dạng đường đồng mức.Mỗi đường đồng mức thể hiện một giátrị độ cao trên bản đồ.Và với việc sử dụng GIS ta có thể xây dựng mô hình số độ cao DEM từcác bản đồ địa hình dạng đường đồng mức này bằng các phần mềm GIS như Mapinfor hayArcgis
Bản đồ địa hình ( các đường đồng mức) => Mô hình TIN => Mô hình Grid
- Mô hình TIN là một dạng dữ liệu Raster được thể hiện dưới dạng lưới tam giác khôngđều
Trang 7- Grid: là một dạng dữ liệu Raster mô tả một bề mặt mang giá trị liên tục Giá trị mỗi ôlưới (cell) là giá trị của bề mặt tại đó.
1.2.1.3 Phương pháp giao thoa Radar
Là trong khu vực hai ảnh SAR giống như việc xử lý, đình công hai ảnh SAR dữ liệu cơbản thông qua các giai đoạn khác nhau, có được hình ảnh giao thoa, và sau đó sau khi giaiđoạn unwrapping, để có được từ rìa của không gian địa hình dữ liệu độ cao cho công nghệquan sát trái đất
Trang 8CHƯƠNG 2 KHÁI QUÁT VỀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU 2.1 Vị trí địa lý
Tỉnh Thái Nguyên có tọa độ : 21°33′51″B 105°52′46″Đ hay 21,564225°B
Thái Nguyên là một tỉnh trung du miền núi nhưng địa hình lại không phức tạp lắm so vớicác tỉnh trung du, miền núi khác, đây là một thuận lợi của Thái Nguyên cho canh tác nônglâm nghiệp và phát triển kinh tế xã hội nói chung so với các tỉnh trung du miền núi khác
2.3 Đặc điểm khí hậu
Khí hậu Thái Nguyên vào mùa đông được chia thành 3 vùng rõ rệt:
- Vùng lạnh nhiều nằm ở phía bắc huyện Võ Nhai
- Vùng lạnh vừa gồm các huyện Định Hóa, Phú Lương và phía Nam Võ Nhai
- Vùng ấm gồm các huyện: Đại Từ, Thành phố Thái Nguyên, Đồng Hỷ, Phú Bình, Phổ Yên và Thị xã Sông Công
Nhiệt độ chênh lệch giữa tháng nóng nhất (tháng 6: 28,90) với tháng lạnh nhất (tháng 1:15,20) là 13,70 Tổng số giờ nắng trong năm dao động từ 1.300 đến 1.750 giờ và phân phốitương đối đều cho các tháng trong năm Khí hậu Thái Nguyên chia làm 2 mùa rõ rệt, mùamưa từ tháng 5 đến tháng 10 và mùa khô từ tháng 10 đến tháng 5 Lượng mưa trung bìnhhàng năm khoảng 2.000 đến 2.500mm; cao nhất vào tháng 8 và thấp nhất vào tháng 1 Nhìnchung khí hậu tỉnh Thái Nguyên thuận lợi cho phát triển ngành nông, lâm nghiệp
2.4 Tình hình kinh tế - xã hội
Tình hình kinh tế - xã hội của tỉnh trong những năm gần đây có nhiều thuận lợi trong hoạtđộng sản xuất kinh doanh, một số ngành nghề trọng điểm đều có sự tăng về năng lực sản xuất;các thành phần kinh tế đều có sự tăng trưởng, nhất là kinh tế ngoài quốc doanh đã khẳng định
vị trí của mình trong nền kinh tế nhiều thành phần song cũng phải đối mặt với nhiều khókhăn, thách thức như: thiên tai, dịch bệnh gia súc; giá cả đầu vào ở hầu hết các ngành sản xuấtđều tăng làm cho chi phí sản xuất tăng cao đã đẩy giá thành sản phẩm tăng lên, ảnh hưởng
Trang 9không nhỏ tới sức cạnh tranh; kết cấu cơ sở hạ tầng, nhất là kết cấu hạ tầng khu vực nông thônmiền núi tuy đã cải thiện nhưng vẫn thiếu và xuống cấp; lĩnh vực xã hội còn nhiều bức xúc, tainạn giao thông tuy có nhiều biện pháp nhằm kiềm chế nhưng vẫn chưa có xu hướng giảm Song với sự chỉ đạo quyết tâm và nỗ lực cố gắng các cấp, các ngành và nhân dân toàn tỉnh nêntình hình kinh tế xã hội đã thu được kết quả đáng kể, kinh tế tiếp tục phát triển theo chiềuhướng tích cực Đánh giá chung, tình hình kinh tế - xã hội trên địa bàn tỉnh những năm gầnđây, mặc dù còn gặp nhiều khó khăn song kinh tế - xã hội của tỉnh vẫn tiếp tục phát triển theohướng tích cực, các chỉ tiêu kinh tế - xã hội chủ yếu của tỉnh đều hoàn thành so với kế hoạch vàtăng khá so với cùng kỳ Một số lĩnh vực xã hội cũng có sự cải thiện đáng kể.
Trang 10CHƯƠNG 3 THU THẬP DỮ LIỆU 3.1 Dữ liệu DEM
- Hiện nay nguồn dữ liệu mô hình số độ cao được đăng tải và phổ biến rộng rãi từ rất nhiềunguồn cung cấp khác nhau trên internet, các nguồn DEM miễn phí dùng cho các mục đíchnghiên cứu về địa chất, khí tượng thủy văn…thường có độ phân giải từ 30m đến 1km Nguồn
dữ liệu DEM toàn cầu phổ biến nhất đó là nguồn dữ liệu do vệ tinh có bộ cảm ASTERGDEM cung cấp phạm vi toàn cầu Các dữ liệu DEM cung cấp đã được loại bỏ các sai số vànội suy những vùng thiếu số liệu và nó đã cung cấp rộng rãi trên khắp thế giới cho các nhànghiên cứu về Trái Đất trên thế giới sử dụng Nguồn dữ liệu mô hình số độ cao ASTERGDEM có độ phân giải 30m được tải về trên hai trang web chính thức đó là trang web củatrung tâm phân tích dữ liệu từ xa Trái Đất (ERSDAS) Nhật Bản có đường link:
http://gdem.ersdas.jspacesystems.or.jp/search.jsp
Và trang web của Cục khảo sát địa chất Hoa Kỳ (USGS):
http://gdex.cr.usgs.gov/gdex/
Mục ASTER Global DEM hoặc mục ASTER Global DEM V2 phần map layer
- Số hóa đường đồng đồng mức từ bản đồ địa hình rồi thực hiện các thao tác xử lý vàchuyển sang dạng raster (DEM)
3.2 Khái niệm về hệ thống thông tin địa lý (GIS) và phần mềm ArcGIS [4]
Hiện nay có rất nhiều công cụ GIS có thể ứng dụng để xử lý dữ liệu DEM như ArcGIS,Global Mapper… Tuy nhiên trong đề tài này chúng tôi sử dụng phần mềm ArcGIS 10.1
3.2.1 Khái niệm về hệ thống thông tin địa lý(GIS)
3.2.1.1 Định nghĩa
GIS là một hệ thống thông tin địa lý bao gồm các phần mềm, phần cứng máy tính và một
cơ sở dữ liệu đủ lớn, có các chức năng thu thập, cập nhật, quản trị và phân tích, biểu diễn dữliệu địa lý phục vụ giải quyết rộng lớn các bài toán ứng dụng có liên quan tới vị trí địa lý trên
bề mặt Trái Đất
3.2.1.2 Chức năng của GIS
a Nhập và biến đổi dữ liệu địa lý
Đây là quá trình chuyển đổi dạng dữ liệu từ bản đồ giấy, các tài liệu văn bản khácnhau hoặc các dữ liệu dạng số sang dữ liệu số ở một định dạng phù hợp, có thể sử dụng đượctrong cơ sở dữ liệu GIS (CSDL GIS) đã được thiết kế
Sau khi nhập số liệu và bản đồ vào máy tính, bước tiền xử lý cho phép hoàn thiện dữ liệu bản
đồ trên máy tính với các nội dung:
- Chuyển đổi khuôn dạng, cấu trúc dữ liệu bản đồ…
- Biên tập, làm sạch dữ liệu và xây dựng cấu trúc topo (quan hệ không gian)
- Gắn các thuộc tính cho các đối tượng bản đồ, liên kết các dữ liệu không gian và dữliệu thuộc tính
- Hoàn thiện các lớp thông tin, tích hợp dữ liệu và trình bày bản đồ
- Chuyển đổi hệ quy chiếu (hệ tọa độ) nếu cần
Trang 11Ngoài ra, người dùng có thể truy nhập vào CSDL GIS hiện có để cập nhật, bố sung dữliệu mới theo các quy trình như đã trình bày ở trên.
b Quản lý dữ liệu
Trong CSDL GIS, dữ liệu được sắp xếp theo các lớp (layers), theo nhóm chủ đề, theokhông gian (vị trí), theo thời gian và được lưu trữ ở các thư mục một cách hệ thống
Chức năng quản lý dữ liệu của GIS được thể hiện qua các nội dung sau:
- Lưu trữ dữ liệu trong CSDL GIS và trong các thiết bị lưu trữ
e Xử lý và phân tích dữ liệu
Phần mềm GIS cho phép xử lý trên máy tính nhiều phép phân tích bản đồ và số liệumột cách nhanh chóng, chính xác, phục vụ cho các yêu cầu trong công tác xây dựng bản đồ,phân tích quy hoạch lãnh thổ, quản lý đô thị và quản lý tài nguyên môt trường Đồng thờiphần mềm GIS còn có thể thực hiện các phép biến đổi bản đồ cơ bản, chồng xếp bản đồ, xử
lý dữ liệu không gian theo các mô hình
Các kỹ thuật phân tích và xử lý chính bao gồm:
- Các phép đo, tính diện tích, chiều dài, thống kê diện tích tự động theo các loại biểuthiết kế
- Các phép phân tích theo vùng lựa chọn, thống kê vùng biên, phân loại, phân lớp mớicho bản đồ
- Các phép nội suy đường đẳng trị (đường đồng mức), phân tích địa hình bề mặt (độdốc, hướng dốc, bóng địa hình, phân tích thủy hệ), mô phỏng không gian, mô tả hướng nhìn
- Chồng xếp bản đồ theo các tiêu chuẩn hoặc mô hình tính toán để tạo ra các bản đồchuyên đề mới Đưa ra các mô hình dữ liệu hỗ trợ cho việc ra quyết định các bài toán quyhoạch, phân vùng, dự báo khuynh hướng phát triển
g Xuất dữ liệu và trình bày kết quả
Kết quả phân tích từ các số liệu có thể được trình bày dưới dạng bảng biểu, biểu đồ, bản
đồ hoặc xuất ra theo các dạng khác nhau như in giấy, lưu trên đĩa CD, hoặc các thiết bị lưutrữ khác với chất lượng, độ chính xác và khả năng tiện dụng cao
Trang 123.2.2 Giới thiệu về phần mềm ArcGIS
Phần mềm ArcGIS là phần mềm ứng dụng công nghệ hệ thông tin địa lý của Viện nghiêncứu hệ thống môi trường (ESRI) của Mỹ Bộ phần mềm ArcGIS của ESRI có khả năng khaithác hết các chức năng GIS trên các ứng dụng khác nhau như: Desktop, máy chủ, hoặc hệthống thiết bị di động
Phần mềm ArcGIS cung cấp những công cụ rất mạnh để quản lý và cập nhật, phân tích thôngtin tạo nên một hệ thống thông tin địa lý hoàn chỉnh
3.2.2.1 ArcGIS cho phép
- Tạo và chỉnh sửa dữ liệu tích hợp (dữ liệu không gian với dữ liệu thuộc tính)
- Truy vấn dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc tính từ nhiều nguồn và bằng nhiều cáchkhác nhau
- Hiển thị, truy vấn và phân tích dữ liệu không gian kết hợp với dữ liệu thuộc tính
- Thành lập bản đồ chuyên đề và các bản in có chất lượng trình bày chuyên nghiệp
Trang 13- Tạo ra những bản đồ với chất lượng cao và có khả năng kết nối nhanh với nhiều loại
dữ liệu khác nhau như: biểu đồ, bảng thuộc tính, ảnh và các dạng file khác
- Chồng xếp các lớp lớp dữ liệu để tạo ra lớp dữ liệu mới Có nhiều phương pháp hồngxếp dữ liệu (intersect, merge, union, dissolve, clip…) nhưng nhìn chung là kết hợp hai lớp dữliệu có sẵn thành một lớp dữ liệu mới
3.2.2.4 Cấu trúc tổ chức dữ liệu trong ArcGIS
ArcGIS tổ chức và lưu trữ thông tin dưới dạng các lớp dữ liệu không gian Mỗi mộtlớp dữ liệu bao gồm các trường thuộc tính giống nhau
Dữ liệu trong ArcGIS được chia thành các dạng:
a Mô hình dữ liệu Vector
Mô tả đối tượng không gian dưới dạng các lớp dữ liệu: điểm (point), đường (polyline) vàvùng (polygon)
- Điểm: được xác định bởi một cặp tọa độ (x,y) hay (x,y,z) với z là giá trị độ cao Điểm
là đối tượng vô hướng, không có kích thước (độ dài hay diện tích)
- Đường: được xác định bởi một tập hợp các cặp tọa độ (các điểm) Đường là đối tượng
có hướng và có kích thước (độ dài)
Các đối tượng đường trong ArcGIS còn có quan hệ topo (quan hệ hình học) Trong đó hai
điểm đầu và cuối đường được gọi là node, các điểm nằm giữa hai node xác định hình dạng của đường và được gọi là vertex.
- Vùng: được xác định bởi một tập hợp các tọa độ khai báo cho đường bao của một vùng.Vùng có thể đo được diện tích
Một đối tượng không gian có thể được thể hiện dưới dạng một điểm hoặc một vùng tùy thuộcvào tỷ lệ bản đồ
ArcGIS sử dụng 3 mô hình vector để biểu diễn dữ liệu là: coverage, shapefile vàgeodatabase, đồng thời lưu dữ liệu trong các lớp đối tượng (feature classes) dưới dạng khônggian và thuộc tính (bảng dữ liệu)
b.Mô hình dữ liệu Raster
Mô hình dữ liệu raster biểu diễn đối tượng không gian bởi một tập hợp các ô lưới hìnhvuông và có kích thước nhất định gọi là cell hay pixel (picture element) Vị trí của đối tượngđược xác định bởi vị trí của các ô vuông theo thứ tự hàng và cột Mỗi ô ảnh chứa thông tingiá trị của một thuộc tính nào đó của đối tượng, như độ cao, nhiệt độ, giá trị phổ…
Mô hình dữ liệu raster thường được dùng để mô tả một bề mặt liên tục trong khônggian
Dữ liệu raster bao gồm các loại ảnh – image (ảnh hàng không, ảnh vệ tinh, ảnh quétdùng để số hóa) và grid (dùng để phân tích và lập mô hình)
c.Mô hình dữ liệu TIN (Triangular Irregular Networks)
