Ứng dụng sản phẩm Lidar và dữ liệu ảnh số trong xây dựng cơ sở dữ liệu nền địa lý tỷ lệ lớn khu vực thành phố

MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU 7 CHƯƠNG 1 8 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ 8 1.1.Tổng quan về hệ thống thông tin địa lý 8 1.1.1. Lịch sử hình thành và phát triển của GIS 8 1.1.2. Khái niệm về hệ thống thông tin địa lý 9 1.2. Các thành phần cơ bản của GIS 9 1.2.1. Phần cứng (Hardware) 9 1.2.2. Phần mềm (Software) 11 1.2.3. Số liệu địa lý (Geographic data) 12 1.2.4. Chuyên viên ( Expertise) 13 1.2.5. Chính sách và quản lý(Policy and management) 13 1.3. Cấu trúc cơ sở dữ liệu trong GIS 14 1.3.1. Mô hình thông tin không gian 14 1.3.2. Mô hình thông tin thuộc tính 18 1.4. Các đặc điểm của GIS 20 1.4.1. Khả năng chồng lắp các bản đồ (Map overlaying) 20 1.4.2. Khả năng phân loại các thuộc tính (Reclassification) 20 1.4.3. Khả năng phân tích (Spatial analysis) 21 1.5. Xử lý thông tin bản đồ trong GIS 22 1.5.1. Cấu trúc thông tin bản đồ 22 1.5.2. Chuẩn thông tin bản đồ 28 CHƯƠNG 2 30 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ LIDAR, ẢNH SỐ VÀ 30 CƠ SỞ DỮ LIỆU NỀN ĐỊA LÝ 30 2.1. Công nghệ Lidar và chụp ảnh số 30 2.1.1. Công nghệ Lidar 30 2.1.2. Công nghệ chụp ảnh số hàng không 34 2.1.3. Tính năng của hệ thống tích hợp chụp ảnh số và quét Lidar 37 2.2. CSDL nền địa lý 38 2.2.1. Một số khái niệm 38 2.2.2. Cơ sở toán học 39 2.2.3. Mô hình cấu trúc và nội dung cơ sở dữ liệu nền địa lý 39 2.2.4. Độ chính xác, xác đinh đối tượng địa lý 42 2.2.5. Tổng quan các phương pháp xây dựng CSDL nền địa lý 43 CHƯƠNG 3 45 NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG CSDL NỀN THÔNG TIN ĐỊA LÝ TỶ LỆ 45 1:2000 TỪ DỮ LIỆU BAY CHỤP ẢNH SỐ VÀ QUÉT LIDAR 45 3.1 . Giải pháp công nghệ xây dựng CSDL nền địa lý tỷ lệ 1:2000 từ sản phẩm công nghệ Lidar kết hợp với chụp ảnh số 45 3.1.1. Xác định đối tượng địa lý 45 3.1.2. Tổ chức dữ liệu địa lý gốc 45 3.1.3. Chuyển khuôn dạng, đóng gói sản phẩm CSDL nền địa lý 46 3.2. Quy trình công nghệ xây dựng CSDL nền thông tin địa lý tỷ lệ 1:2000 từ sản phẩm Lidar và chụp ảnh số 46 3.2.1. Thiết kế bay chụp ản số và quét Lidar 48 3.2.2. Đo nối trám Base, đo GPS 48 3.2.3. Đo bãi hiệu chỉnh mặt phẳng và độ cao 49 3.2.4. Bay quét và chụp ảnh số 49 3.2.5. Xử lý dữ liệu bay chụp và quét Lidar 50 3.2.6 . Xây dựng DEM, DTM, DSM, ảnh cường độ sám (Intensity) 53 3.2.7. Nắn ảnh trực giao chính xác TrueOrthophoto, lập bình đồ trực ảnh 55 3.2.8. Điều tra ngoại nghiệp thông tin thuộc tính đối tượng địa lý 55 3.2.9. Quy định vector hóa kết quả nội dung đối tượng địa lý sau khi điều tra ngoại nghiệp 61 3.2.10. Chuẩn hóa dữ liệu địa lý gốc 62 3.2.11. Thành lập CSDL nền địa lý 1:2000 66 CHƯƠNG 4 67 THỰC NGHIỆM XÂY DỰNG CSDL NỀN THÔNG TIN ĐỊA LÝ TỶ LỆ 67 1:2000 KHU VỰC THÀNH PHỐ VINH CỬA LÒ 67 4.1. Khái quát nhiệm vụ, tình hình, đặc điểm khu vực nghiên cứu 67 4.1.1. Nhiệm vụ khu vực nghiên cứu 67 4.1.2. Sản phẩm chính của kết quả nghiên cứu thực nghiệm 67 4.1.3. Đặc điểm địa lý tự nhiên, kinh tế, xã hội của khu vực nghiên cứu thực nghiệm 67 4.2. Thông tin ảnh chụp và quét Lidar, tư liệu bản đồ thành phố Vinh Cửa Lò 69 4.2.1. Tư liệu chụp ảnh và quét Lidar 69 4.2.2. Tình hình tư liệu 69 4.3. Giới thiệu các tiện ích phục vụ xây dựng CSDL nền địa lý 70 4.3.1. Chương trình Etmagis 70 4.3.2. Phần mềm ứng dụng ArcGIS 70 4.3.3. Phần mềm ConvertDGNtoGeoDB 73 4.4. Xây dựng mô hình cấu trúc CSDL nền địa lý tỷ lệ 1: 2000 74 4.5. Xây dựng đối tượng địa lý từ kết quả xử lý ảnh số và dữ liệu quét Lidar ( dữ liệu gồm bình đồ trực ảnh và DTM ) 76 4.5.1. Chuẩn hóa hình học 76 4.5.2. Tổ chức các (file) tệp dữ liệu 77 4.6. Gán thông tin địa lý cho đối tượng địa lý 78 4.6.1. Nguyên tắc chung 78 4.6.2. Phương pháp gán thuộc tính cho đối tượng địa lý 79 4.7. Chuyển đổi dữ liệu địa lý gốc từ khuôn dạng DGN sang khuôn dạng Geodatabase 80 4.8. Xây dựng Metadata 80 4.9. Kết quả thực nghiệm 81 Kết luận 83 Kiến nghị 83

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.3: Mối quan hệ giữa thông tin bản đồ và thông tin thuộc

Hình 1.5: Một ví dụ trong việc phân loại một bản đồ 21Hình1.6: Dữ liệu không gian và các lớp thông tin trên đó 24

Hình 2.2: Hình 2.2 Mô hình thu ảnh - bên trái (hình A): máy ảnh

công nghệ chụp khung cung cấp khung hình riêng biệt của vùng địa hình chụp; và bên phải (hình B): máy ảnh công nghệ quét dòng cung cấp một dải ảnh liên tục của vùng địa hình chụp

địa lý từ sản phẩm bay quét Lidar và chụp ảnh số 47

Hình 4.1: Hình 4.1 Các thanh Menu của phần mềm ETmagis 70Hình 4.2: Hình 4.2 Hệ thống của phần mềm ArcGIS 71Hình 4.3: Hình 4.3 Mô hình cấu trúc một CSDL(Geodatabase) 73Hình 4.4: Quy định phân loại đối tượng địa lý 2N5N 76Hình 4.5: Chức năng Tạo tim đường của phần mềm Etmagis 78

Hình 4.6: Nội suy bình độ và điểm độ cao từ DTM 78

Hình 4.7: Chức năng Gán thông tin thuộc tính của phần mềm

Hình 4.8: Chức năng Gán thông tin từ tệp của phần mềm Etmagis 79

Hình 4.9: Chuyển dữ liệu từ môi trường đồ họặdgn) sang môi

Hình 4.11: Dữ liệu nền thông tin địa lý (khuôn dạng *.dgn) 81

Hình 4.12: Dữ liệu nền thông tin địa lý (khuôn dạng *.mdb) trong

LỜI MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học

kỹ thuật, công nghệ tin học đã không ngừng phát triển hội nhập vào xu thế của thời đại Cũng từ đó công nghệ tin học đã xâm nhập và phát huy thế mạnh của nó vào các lĩnh vực của đời sống

Hệ thông tin địa lý (GIS) là một hệ thống thu nhận, lưu trữ, phân tích, quản lý, hiển thị và cập nhật dữ liệu gắn liền với vị trí không gian của các đối tượng trên Trái Đất Chính vì vậy, GIS có phạm vi ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của nền kinh tế - xã hội, đảm bảo an ninh quốc phòng, phục vụ nghiên cứu khoa học, quản lý và quy hoạch sử dụng hợp lý tài nguyên và bảo

vệ môi trường Cơ sở dữ liệu (CSDL) là hợp phần trọng tâm trong hệ thống thông tin địa lý CSDL của GIS là hệ dữ liệu địa lý bao gồm hai loại chủ yếu:

dữ liệu thuộc tính và dữ liệu không gian, gắn bó chặt chẽ với nhau một cách

có quy luật

CSDL nền GIS được xây dựng nhằm đáp ứng vai trò cấp thiết từ thực tiễn là một hợp phần thiết yếu nhất, là hệ thống “xương sống” (khung) trong các hệ thông tin địa lý

Để đáp ứng tốc độ phát triển nhanh chóng và áp dụng rộng rãi của công nghệ thông tin và công nghệ GIS, đáp ứng nhu cầu cấp thiết của thực tiễn Việc khảo sát nghiên cứu xây dựng một CSDL nền GIS chuẩn, thống nhất từ kết quả xử lý dữ liệu quét LiDAR kết hợp bay chụp ảnh số là rất cần thiết Vì

vậy em đã lựa chọn đề tài“ Ứng dụng sản phẩm Lidar và dữ liệu ảnh số

trong xây dựng cơ sở dữ liệu nền địa lý tỷ lệ lớn khu vực thành phố ” Bố

cục của đồán như sau :

Mở đầu

Chương 1 : GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀHỆ THỐNG THÔNG TIN

ĐỊA LÝ

Chương 2: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ LIDAR,

ẢNH SỐ VÀ CƠ SỞ DỮ LIỆU NỀN ĐỊA LÝ

Chương 3: NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG CSDL NỀN THÔNG TIN ĐỊA

LÝ TỶ LỆ 1/2000 TỪ DỮ LIỆU BAY CHỤP ẢNH SỐ

VÀQUÉT LIDAR

Chương 4: THỰC NGHIỆM XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU NỀN

THÔNG TIN ĐỊA LÝ TỶ LỆ 1/2000 KHU VỰC THÀNH PHỐ VINH – CỬA LÒ

Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ

1.1.1 Lịch sử hình thành và phát triển của GIS

Theo nhiều tài liệu cho thấy, lịch sử hình thành GIS không được cụ thể lắm bởi lẽ những khái niệm tương tự GIS đã tồn tại ngay từ khi xuất hiện con người, từ khi con người có nhu cầu đi lại, sinh hoạt, buôn bán, Mặc dù vậy,

sự đóng góp rất lớn và rất tích cực của Giáo sư Roger Tomlinson vào năm

1963 đã khiến thế giới phải công nhận ông chính là cha đẻ của GIS (Father of GIS) Roger Tomlinson là người xây dựng Hệ thống thông tin địa lý (HTTTĐL) đầu tiên trên thế giới Đó là Hệ thống thông tin địa lý quốc gia Canada (Canada Geographic Information System) Ngoài ra, ông còn được biết đến như là người đầu tiên đưa ra thuật ngữ GIS

Chúng ta cùng nhau đi ngược lại lịch sử để thấy sự ra đời kỳ diệu của GIS Như chúng ta cũng biết, năm 1940 ngành đồ họa máy tính (Computer Graphics) bắt đầu hình thành và phát triển Sự khó khăn trong việc sử dụng các thiết bị kinh điển để khảo sát những bài toán phức tạp hơn đã dẫn đến hình thành ngành Bản đồ máy tính (Computer Cartographic) vào những năm

1960 Cũng thời gian này, nhiều bản đồ đơn giản được xây dựng với các thiết

bị vẽ và in Tuy nhiên, chỉ khoảng 10 năm sau, năm 1971 khi chip bộ nhớ máy tính được phổ biến, các ngành liên quan đến đồ họa trên máy tính thật sự chuyển biến và phát triển mạnh Tuy nhiên, nói đến GIS, chúng ta cũng có thể nghĩ đến việc lưu trữ và truy vấn dữ liệu, đặc biệt là dữ liệu không gian đồ sộ Những lý thuyết và thực tế về cơ sở dữ liệu và hệ thống thông tin ra đời vào cuối những năm 60, đầu những năm 70 là một đóng góp khác cho sự ra đời của GIS Vào những năm 1950, các lực lượng quân sự bắt đầu sử dụng viễn thám môi trường (Environmental Remote Sensing) trong các công tác đặc biệt Sự "chuyển nhượng" công nghệ viễn thám từ quân sự sang dân sự vào những năm 1960 là một động lực khác thúc đẩy GIS GIS sẽ không là GIS nếu nó không thực hiện các bài toán phân tích không gian (Spatial Analysis) Một lớp bài toán phân tích không gian kinh điển đó là chồng lớp (Overlay) Những lý luận ứng dụng đại số bản đồ (map algebra) vào những năm 60 trong các ứng dụng quy hoạch giúp bổ sung thêm một "bệ phóng" nữa cho "tên lửa" GIS Tất cả những ý tưởng trên dường như được hội tụ vào cùng một thời điểm

Roger Tomlinson là một trong những người nhạy bén đón nhận những tinh hoa đó và chuyển thành một GIS GIS ngày nay không chỉ dừng lại ở mức công nghệ mà nó đã tiến lên nhiều nấc đến khoa học (Geographic Information Science - GISci) và dịch vụ (Geographic Information Services)

1.1.2 Khái niệm về hệ thống thông tin địa lý

Hệ thống thông tin địa lý (GIS – Geographical Information Systems) là một hệ thống thông tin có những khả năng của một hệ thống máy tính (phần cứng, phần mềm) và các thiết bị ngoại vi dùng để nhập lưu trữ, truy vấn, xử

lý, phân tích, hiển thị hoặc xuất dữ liệu Trong đó CSDL của hệ thống chứa những dữ liệu của các đối tượng, các hoạt động kinh tế, xã hội, nhân văn, phân bố theo không gian và những sự kiện xảy ra theo tiến trình lịch sử Có thể nói cách khác rằng, hệ thống thông tin địa lý là một hệ thống máy tính (phần cứng, phần mềm) và các thiết bị ngoại vi có khả năng trả lời các câu hỏi

cơ bản: Ai? Cái gì? Ở đâu? Khi nào? Như thế nào? Tại sao? Khi được xác định trước một hoặc một vài nội dung trong các câu hỏi đó Trong đó các câu trả lời Ai?, Cái gì? Xác định các đối tượng, các hoạt động, các sự kiện cần khảo sát; Câu trả lời “Ở đâu?” xác định vị trí của đối tượng, hoạt động hoặc

sự kiện; câu trả lời “Như thế nào?” hoặc “Tại sao?” Là kết quả phân tích của

hệ thông tin địa lý

Công nghệ GIS là một hệ thống gồm 5 hợp phần cơ bản với những chức năng rõ ràng, đó là: Phần cứng, phần mềm, số liệu, chuyên viên, chính sách

và cách thức quản lý

1.2.1.Phần cứng (Hardware)

Phần cứng bao gồm các thiết bị : máy vi tính, máy vẽ, máy in, bàn số hoá, thiết bị quét ảnh, và các phương tiện lưu trữ số liệu

Bàn số hoá(Digitizer)

Ổ đĩaDisk Drive

Bộ xử lýTrung tâmC.P.U

Máy vẽ

Plotter

ổ băng Tape driveMàn hình V.D.U

1. Bộ xử lý trung tâm ( CPU )

Bộ xử lý trung tâm hay còn gọi là CPU, là phần cứng quan trọng nhất của máy vi tính CPU không những thực hành tính toán trên dữ liệu, mà còn điều khiển lắp đặt phần cứng khác, nó thì cần thiết cho việc quản lý thông tin theo sau thông qua hệ thống

2. Bộ nhớ trong ( RAM )

Tất cả máy vi tính có bộ nhớ trong mà chức năng như là “không gian làm việc” cho chương trình và dữ liệu Bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên (RAM) này có khả năng giữ một giới hạn dữ liệu ở một số hạng thời gian Điều đó có nghĩa nó ít có khả năng thực hiện điều hành phức tạp trên bộ dữ liệu lớn trong

một số lượng lớn dữ liệu Sự gia tăng khả năng lưu trữ thực hiện bằng các đĩa

có từ tính Các đĩa cứng có khả lưu trữ rất lớn còn các đĩa mềm thì với khả năng rất giới hạn, mà hiện nay gần như không còn khả năng sử dụng nữa Công nghệ phát triển cũng tạo ra thêm nhiều loại thiết bị có thể lưu trữ và truyền số liệu đọc qua cổng USB của máy vi tính Các đĩa DVD ngày nay có thể lưu trữ dữ liệu tới 50 Gb và rất thuận tiện để sao lưu số liệu

4 Các bộ phận dùng để nhập dữ liệu (INPUT DEVICES)

* Digitizer

Bàn số hoá bản đồ bao gồm một hàng giống như chiếc bàn viết, mà bản

đồ được trải rộng ra, và một con chuột cursor, được dùng để đưa các đường thẳng và các điểm trên bản đồ đã được định vị vào thành dạng số Trong toàn

bộ bàn số hoá, việc tổ chức được ghi bởi phương pháp của một cột lưới đã gắn vào trong bảng Dây tóc của cursor phát ra do sự đẩy của từ tính điện mà

nó tìm thấy bởi cột lưới sắt và được chuyển giao đến máy vi tính như một cặp tương xứng Hầu như các cursor được vừa vặn với 4 hoặc nhiều nút cho việc chuyển tín hiệu đặc biệt cho việc điều khiển chương trình Các bàn số hoá hiện nay có kích thước thay đổi từ bảng nhỏ 27cmx27cm đến bảng lớn 1mx1.5m

* Máy quét (Scanner)

Máy quét sẽ chuyển thông tin trên bản đồ tương xứng một cách tự động thành dạng file Raster Một cách luân phiên nhau, bản đồ có thể được trải rộng ra trên bàn mà đầu scanning di chuyển trong một loạt đường thẳng song song nhau

* Thiết bị đầu ra (output devices)

- Máy in (printer): Là bộ phận dùng để in ấn các thông tin, bản đồ, dưới nhiều kích thước khác nhau tuỳ theo yêu cầu của người sử dụng, thông thường máy in có khổ lớn từ A4 đến A2 Máy in có thể là máy in phun màu, máy laser, hoặc máy in kim (hiện nay đã không còn sử dụng nữa)

- Máy vẽ (plotter): Đối với những yêu cầu cần thiết phải in các bản đồ có kích thước lớn, thường máy in không đáp ứng được mà ta phải dùng đến máy

vẽ Máy vẽ thường có kích thước của khổ A1 hoặc A0

1.2.2 Phần mềm (Software)

Là tập hợp các câu lệnh, chỉ thị nhằm điều khiển phần cứng của máy tính thực hiện một nhiệm vụ xác định, phần mềm GIS có thể là một hoặc tổ hợp các phần mềm máy tính Phần mềm được sử dụng trong kỹ thuật GIS phải bao gồm các tính năng cơ bản sau:

- Nhập và kiểm tra dữ liệu (Data input): Bao gồm tất cả các khía cạnh về biến đổi dữ liệu đã ở dạng bản đồ, trong lĩnh vực quan sát vào một dạng số tương thích

- Lưu trữ và quản lý CSDL (Geographic database): Lưu trữ và quản lý CSDL đề cập đến phương pháp kết nối thông tin vị trí và thông tin thuộc tính của các đối tượng địa lý

- Xuất dữ liệu (Display and reporting): Dữ liệu đưa ra là các báo cáo kết quả quá trình phân tích tới người sử dụng, có thể bao gồm các dạng: bản đồ, bảng biểu, biểu đồ, lưu đồ được thể hiện trên máy tính, máy in, máy vẽ

- Biến đổi dữ liệu (Data transformation): Biến đổi dữ liệu gồm hai lớp điều hành nhằm mục đích khắc phục lỗi từ dữ liệu và cập nhật chúng Biến đổi dữ liệu có thể được thực hiện trên dữ liệu không gian và thông tin thuộc tính một cách tách biệt hoặc tổng hợp cả hai

- Tương tác với người dùng (Query input): Giao tiếp với người dùng là yếu tố quan trọng nhất của bất kỳ hệ thống thông tin nào Các giao diện người dùng ở một hệ thống thông tin được thiết kế phụ thuộc vào mục đích của ứng dụng đó

Các phần mềm tiêu chuẩn và sử dụng phổ biến hiện nay bao gồm các phần mềm như sau:

Phần mềm dùng cho lưu trữ, xử lý số liệu thông tin địa lý: ACR/INFO, SPAN, ERDAS-Imagine, ILWIS, MGE/MICROSTATION, IDRISIW, IDRISI, WINGIS

Phần mềm dùng cho lưu trữ, xử lý và quản lý các thông tin địa lý: MAPPER, ATLASGIS, ARCVIEW, MAPINFO,

ER-1.2.3 Sốliệu địa lý (Geographic data)

Có thể coi thành phần quan trọng nhất trong một hệ GIS là dữ liệu Các

dữ liệu địa lý và dữ liệu thuộc tính liên quan có thể được người sử dụng tự tập hợp hoặc được mua từ nhà cung cấp dữ liệu thương mại Hệ GIS sẽ kết hợp

dữ liệu không gian với các nguồn dữ liệu khác, thậm chí có thể sử dụng DBMS (Database Management System ) để tổ chức lưu giữ và quản lý dữ liệu.Có hai dạng số liệu được sử dụng trong kỹ thuật GIS là:

1. Cơ sở dữ liệu - dữ liệu không gian

Là những mô tả hình ảnh bản đồ được số hoá theo một khuôn dạng nhất định mà máy tính hiểu được HTTTĐL dùng cơ sở dữ liệu này để xuất ra các bản đồ trên màn hình hoặc ra các thiết bị ngoại vi khác như máy in, máy vẽ.

- Số liệu Vector: Được trình bày dưới dạng điểm, đường, diện tích, mỗi dạng có liên quan đến một số liệu thuộc tính được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu

- Số liệu Raster: Được trình bày dưới dạng lưới ô vuông hay lưới chữ nhật đều nhau, giá trị được ấn định cho mỗi ô sẽ được chỉ định giá trị của thuộc tính Số liệu của ảnh vệ tinh và các loại số liệu bản đồ được quét là các loại số liệu Raster

Có nhiều cách để nhập số liệu, nhưng cách thông thường hiện nay là số hoá bằng bàn số hoá, hoặc thông qua việc sử dụng máy quét ảnh

1.2.4 Chuyên viên ( Expertise)

Công nghệ GIS sẽ bị hạn chế nếu không có con người tham gia quản lý

hệ thống và phát triển những ứng dụng GIS trong thực tế Người sử dụng GIS

có thể là những chuyên gia kỹ thuật, người thiết kế và duy trì hệ thống, hoặc những người dùng GIS để giải quyết các vấn đề trong công việc

Người dùng GIS là những người sử dụng các phần mềm GIS để giải quyết các bài toán không gian theo mục đích của họ Họ thường là những người được đào tạo tốt về lĩnh vực GIS hay là các chuyên gia

Người xây dựng bản đồ: sử dụng các lớp bản đồ được lấy từ nhiều nguồn khác nhau, chỉnh sửa dữ liệu để tạo ra các bản đồ theo yêu cầu

Người xuất bản: sử dụng phần mềm GIS để kết xuất ra bản đồ dưới nhiều định dạng xuất khác nhau

Người phân tích: giải quyết các vấn đề như tìm kiếm, xác định vị trí… Người xây dựng dữ liệu: là những người chuyên nhập dữ liệu bản đồ bằng các cách khác nhau: vẽ, chuyển đổi từ định dạng khác, truy nhập CSDL…

Người quản trị CSDL: quản lý CSDL GIS và đảm bảo hệ thống vận hành tốt

Người thiết kế CSDL: xây dựng các mô hình dữ liệu lôgic và vật lý.Người phát triển: xây dựng hoặc cải tạo các phần mềm GIS để đáp ứng các nhu cầu cụ thể.

1.2.5 Chính sách và quản lý(Policy and management)

Đây là hợp phần rất quan trọng để đảm bảo khả năng hoạt động của hệ thống, là yếu tố quyết định sự thành công của việc phát triển công nghệ GIS

Hệ thống GIS cần được điều hành bởi một bộ phận quản lý, bộ phận này cần được bổ nhiệm để tổ chức hoạt động hệ thống GIS một cách có hiệu quả để phục vụ người sử dụng thông tin

Để hoạt động thành công, hệ thống GIS phải được đặt trong một khung

tổ chức phù hợp và có những hướng dẫn cần thiết để quản lý, thu thập, lưu trữ

và phân tích số liệu, đồng thời có khả năng phát triển được hệ thống GIS theo yêu cầu Hệ thống GIS cần được điều hành bởi một bộ phận quản lý, bộ phận này cần được bổ nhiệm để tổ chức hoạt động hệ thống GIS một cách có hiệu quả để phục vụ người sử dụng thông tin Trong quá trình hoạt động, mục đích chỉ có thể đạt được và tính hiệu quả của kỹ thuật GIS chỉ được minh chứng khi công cụ này có thể hỗ trợ những người sử dụng thông tin để giúp họ thực hiện được những mục tiêu công việc Ngoài ra, việc phối hợp giữa các cơ quan chức năng có liên quan cũng phải được đặt ra, nhằm tăng gia hiệu quả

sử dụng của GIS cũng như các nguồn số liệu hiện có

Trong 5 hợp phần của GIS, hợp phần chính sách và quản lý đóng vai trò rất quan trọng để đảm bảo khả năng hoạt động của hệ thống, nó tác động đến toàn bộ các hợp phần nói trên đồng thời là yếu tố quyết định sự thành công của việc phát triển công nghệ GIS

Mộtcơsởdữliệucủahệthốngthôngtinđịalýcóthểchiaralàm2loạisốliệucơbản:sốliệukhônggianvàphikhônggian.Mỗiloạicónhữngđặcđiểmriêngvàchúngkhácnhauvềyêucầu lưugiữsố liệu,hiệu quả,xửlývàhiển thị

1.3.1 Mô hình thông tin không gian

Số liệu không gian là những mô tả số của hình ảnh bản đồ, chúng bao gồm toạ độ, quy luật và các ký hiệu dùng để xác định một hình ảnh bản đồ cụ thể trên từng bản đồ Hệ thống thông tin địa lý dùng các số liệu không gian để tạo ra một bản đồ hay hình ảnh bản đồ trên màn hình hoặc trên giấy thông qua thiết bị ngoại vi, …

Dữ liệu là trung tâm của hệ thống GIS, hệ thống GIS chứa càng nhiều thì chúng càng có ý nghĩa Dữ liệu của hệ GIS được lưu trữ trong CSDL và chúng được thu thập thông qua các mô hình thế giới thực Dữ liệu trong hệ GIS còn được gọi là thông tin không gian Đặc trưng thông tin không gian là

có khả năng mô tả “vật thể ở đâu” nhờ vị trí tham chiếu, đơn vị đo và quan hệ không gian Chúng còn khả năng mô tả “hình dạng hiện tượng” thông qua mô

tả chất lượng, số lượng của hình dạng và cấu trúc Cuối cùng, đặc trưng thông tin không gian mô tả “quan hệ và tương tác” giữa các hiện tượng tự nhiên Mô hình không gian đặc biệt quan trọng vì cách thức thông tin sẽ ảnh hưởng đến khả năng thực hiện phân tích dữ liệu và khả năng hiển thị đồ hoạ của hệ thống

1. Cấu trúc dữ liệu Vector

Mô hình dữ liệu kiểu Vector là mô hình thể hiện các đối tượng địa lý giống như các bản đồ truyền thống: Các dữ liệu đồ hoạ được thể hiện giống với hình dạng thực tế của nó, bằng các yếu tố hình học đơn giản là điểm, đường, vùng và các quan hệ topo

Trong cấu trúc dữ liệu 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 hệ toạ

độ thống nhất toàn cầu

- Yếu tố điểm: Được dùng cho tất cả các đối tượng không gian mà được biểu diễn như một cặp toạ độ (X, Y) Ngoài giá trị toạ độ (X, Y), điểm còn được thể hiện kiểu điểm, màu, hình dạng và dữ liệu thuộc tính đi kèm Do đó, trên bản đồ điểm có thể được biểu hiện bằng ký hiệu text

- Yếu tố đường: Được dùng để biểu diễn tất cả các thực thể có dạng tuyến được tạo nên từ hai hoặc hơn cặp toạ độ (X, Y): Đường giao thông, hệ thống ống thoát nước, Ngoài toạ độ, đường còn có thể bao hàm cả góc quay tại đầu nút

- Yếu tố vùng: Là một đối tượng hình học hai chiều Vùng có thể là một

đa giác đơn giản hay hợp của nhiều đa giác đơn giản Số liệu định vị của yếu

tố điểm được xác định bởi đường bao của chúng

Nói chung, không có sự khác biệt giữa việc lưu trữ số liệu định vị của yếu tố đường và số liệu định vị của yếu tố vùng, cả hai đều lưu trữ dưới dạng tập hợp các điểm của một đường Nhưng có thể nhận biết rõ ràng nếu chỉ ra

số liệu định vị kèm theo yếu tố được hiển thị (điểm, đường, vùng) Đường bao của một vùng khép kín (tức là điểm đầu và điểm cuối trùng nhau) Ngược lại, một đường khép kín không phải trong trường hợp nào cũng phản ánh một vùng (ví dụ đường bình độ là một đường khép kín nhưng không là yếu tố vùng)

Hình 1.1: tọa độ củađiểm, đường, da giác

Trong thực tế các yếu tố vùng nằm kề nhau Để giảm việc lãng phí bộ nhớ do lưu giữ các cạnh chung hai lần người ta tiến hành lưu trữ mỗi cạnh một lần Đồng thời cung cấp cho từng vùng những thông tin thuộc tính về cạnh của nó

Trường hợp các điểm chung thì cũng lưu trữ toạ độ mỗi điểm một lần và cung cấp cho đường những thông tin thuộc tính về các điểm thuộc đường Sự tiết kiệm bộ nhớ này chỉ thực sự có giá trị khi số lượng cạnh chung khá lớn.Cấu trúc dữ liệu Vector có những ưu, nhược điểm sau:

- Kỹ thuật đắt tiền.

- Các bài toán phân tích và các phép lọc là rất khó thực hiện

2 Cấu trúc dữ liệu Raster

Mô hình dữ liệu kiểu Raster là phương pháp thể hiện các dữ liệu đồ hoạ bằng hệ thống các ô vuông hay pixel theo hàng và cột Pixel là đơn vị cơ bản của mô hình Raster Vị trí của các đối tượng địa lý được xác định bằng vị trí của các pixel

Trong cấu trúc dữ liệu Raster các yếu tố điểm, đường, vùng được xác định như sau:

- Yếu tố điểm: Điểm được xác định tương ứng với một pixel độc lập

- Yếu tố đường: Đường được coi là các pixel liên tiếp nhau có cùng giá trị

- Yếu tố vùng: Vùng được xác định bởi một tập hợp các pixel có cùng giá trị liên tục nhau theo các hướng

Ta thấy biểu diễn hai chiều của dữ liệu địa lý theo cấu trúc Raster là không liên tục nhưng được định lượng hoá để có thể đánh giá được độ dài, diện tích Dễ thấy không gian càng được chia nhỏ thành nhiều cell thì tính toán càng chính xác

Biểu diễn Raster được xây dựng trên cơ sở hình học Ơcơlit Mỗi một cell tương ứng với một diện tích vuông trên thực tế Độ lớn cạnh của ô vuông này còn được gọi là độ phân giải của dữ liệu

Trong cấu trúc dữ liệu Raster, phương pháp chồng xếp bản đồ nhờ vào phương pháp đại số bản đồ

Dữ liệu Raster có dung lượng rất lớn nếu không có cách lưu trữ thích hợp Thông thường người ta hay dùng các phương pháp nén TIEF, RLE, JPEG, GIF, Ngoài ra, còn có thể sử dụng phương pháp biểu diễn ô chữ nhật phân cấp để biểu diễn dữ liệu địa lý dưới dạng Raster Trong phương pháp này, người ta chia diện tích vùng dữ liệu ra thành các ô chữ nhật không đều nhau mà theo cách lần lượt chia đôi các cell bắt đầu từ hình chữ nhật lớn nhất bao phủ diện tích dữ liệu Quá trình chia cứ tiếp tục khi nào các cell đủ nhỏ để đạt độ chính xác cần thiết

Hình 1.2: điểm, đường, đa giác

Cấu trúc dữ liệu Raster có những ưu, nhược điểm sau:

* Ưu điểm:

- Cấu trúc rất đơn giản

- Dễ dàng sử dụng cho các phép toán chồng xếp và các phép toán xử lý ảnh viễn thám

- Dễ dàng thực hiện nhiều phép phân tích khác nhau

- Bài toán mô phỏng là có thể thực hiện được do đơn vị không gian là giống nhau (cell)

- Kỹ thuật rẻ tiền và có thể phát triển mạnh

* Nhược điểm:

- Dung lượng dữ liệu lớn

- Độ chính xác có thể giảm nếu sử dụng không hợp lý kích thước cell

- Bản đồ hiển thị không đẹp

- Các bài toán mạng rất khó thực hiện

- Khối lượng tính toán để biến đổi toạ độ là rất lớn

3 Chuyển đổi qua lại giữa dữ liệu Vector và dữ liệu Raster

Việc chọn của cấu trúc dữ liệu dưới dạng vector hoặc raster tuỳ thuộc vào yêu cầu của người sử dụng và tuỳ vào phần mềm máy tính đang sử dụng Đối với hệ thống vector, thì dữ liệu được lưu trữ sẽ chiếm diện tích nhỏ hơn rất nhiều so với hệ thống raster, đồng thời các đường contour sẽ chính xác hơn hệ thống raster Tuy nhiên đối với việc sử dụng ảnh vệ tinh trong GIS thì nhất thiết phải sử dụng dưới dạng raster

Một số công cụ phân tích của GIS phụ thuộc chặt chẽ vào mô hình dữ liệu raster, do vậy nó đòi hỏi quá trình biến đổi mô hình dữ liệu vector sang

dữ liệu raster, hay còn gọi là raster hoá Biến đổi từ raster sang mô hình vector, hay còn gọi là vector hoá, đặc biệt cần thiết khi tự động quét ảnh

- Chuyển từ dữ liệu Raster sang dữ liệu Vector có nghĩa là tạo ra các điểm, đường, vùng Độ chính xác của sự chuyển đổi phụ thuộc vào kích cỡ ô của hệ Raster Quá trình trở lên phức tạp trong trường hợp là dữ liệu số

- Chuyển từ dữ liệu Vector sang dữ liệu Raster thì toàn bộ thông tin cần được chia nhỏ thành các ô Raster Để làm được việc này, lưới của các ô được đặt trên bản đồ vector cơ sở và thông tin ở mỗi ô được gán vào ô khi chuyển một điểm sang thành một ô, vị trí chính xác của nó mờ nhạt dần và trở lên kém chính xác Bất kỳ một đối tượng Vector nào cũng sẽ được biểu diễn kém chính xác hơn trong hệ thống Raster

Tổng quát, tiến trình biến đổi là tiến trình xấp xỉ vì với vùng không gian cho trước thì mô hình raster sẽ chỉ có khả năng địa chỉ hoá các vị trí toạ độ nguyên Trong mô hình vector, độ chính xác của điểm cuối vector được giới hạn bởi mật độ hệ thống toạ độ bản đồ còn vị trí khác của đoạn thẳng được xác định bởi hàm toán học

1.3.2 Mô hình thông tin thuộc tính

Số liệu phi không gian hay còn gọi là dữ liệu thuộc tính là những diễn tả đặc tính, số lượng, mối quan hệ của các hình ảnh bản đồ với vị trí địa lý của chúng Các số liệu phi không gian được gọi là dữ liệu thuộc tính, chúng liên quan đến vị trí địa lý hoặc các đối tượng không gian và liên kết chặt chẽ với chúng trong hệ thống thông tin địa lý thông qua một cơ chế thống nhất chung.Một trong các chức năng đặc biệt của công nghệ GIS là khả năng của nó trong việc liên kết và xử lý đồng thời giữa dữ liệu bản đồ và dữ liệu thuộc tính Dữ liệu thuộc tính thường được lưu trữ dưới dạng bảng mà những bảng này thì được liên kết với dữ liệu không gian thông qua những mã xác định

Mô hình cấu trúc dữ liệu thuộc tính có thể là mô hình mạng, mô hình phân cấp, mô hình quan hệ hoặc một số dạng khác Trong đó mô hình dữ liệu quan hệ là mô hình được hình thức hoá toán học chặt chẽ, giảm bớt các thông tin trùng lặp, thao tác với dữ liệu dễ dàng, mềm dẻo trong xử lý nên được

dùng khá phổ biến Cơ sở dữ liệu quan hệ bao gồm các bảng, mỗi bảng bao gồm các cột Mỗi hàng bao gồm nhiều loại thông tin về một đối tượng nào đó Mỗi loại thông tin khác nhau này được gọi là một trường, mỗi trường được sắp xếp tương ứng với một cột Việc sắp xếp dữ liệu phi không gian thành bảng và cột trên rất thuận lợi cho quá trình tìm kiếm, cập nhật và sắp xếp dữ liệu phi không gian Thêm nữa dữ liệu phi không gian còn bao gồm các hình thức bày chuẩn các yếu tố đồ hoạ như: Màu sắc, lực nét, kiểu đường, Điều này đặc biết có lợi để biểu thị và thao tác với các dữ liệu đồ hoạ của cơ sở dữ liệu không gian.

Dữ liệu thuộc tính có thể được xây dựng trực tiếp từ các bảng dữ liệu, từ các tệp văn bản hoặc liên kết thu nhận từ các phần mềm khác nhau Một trong các chức năng đặc biệt của HTTTĐL là khả năng của nó trong việc liên kết và

xử lý đồng thời giữa dữ liệu bản đồ và dữ liệu thuộc tính Sự liên kết giữa hình ảnh bản đồ và các bảng ghi thuộc tính được thực hiện thông qua mã xác định ID (identifier) gán cho cả hai loại dữ liệu

Mối quan hệ giữa dữ liệu không gian và phi không gian: thể hiện phương pháp chung để liên kết hai loại dữ liệu đó thông qua bộ xác định, lưu trữ đồng thời trong các thành phần không gian và phi không gian Các bộ xác định có thể đơn giản là một số duy nhất liên tục, ngẫu nhiên hoặc các chỉ báo địa lý hay số liệu xác định vị trí lưu trữ chung Bộ xác định cho một thực thể có thể chứa toạ độ phân bố của nó, số hiệu mảnh bản đồ, mô tả khu vực hoặc con trỏ đến vị trí lưu trữ của số liệu liên quan Bộ xác định được lưu trữ cùng với các bản ghi toạ độ hoặc mô tả số khác của các hình ảnh không gian và cùng với các bản ghi số liệu thuộc tính liên quan

Sự liên kết giữa hai loại thông tin cơ bản trong cơ sở dữ liệu GIS thể hiện theo sơ đồ sau:

Tính chất3

3

Hình 1.3: Mối quan hệ giữa thông tin bản đồ và thông tin thuộc tính

1.4.1 Khả năng chồng lắp các bản đồ (Map overlaying)

ViệcchồnglắpcácbảnđồtrongkỹthuậtGISlàmộtkhảnăngưuviệtcủaGIStrongviệcphântíchcácsốliệuthuộcvềkhônggian,đểcóthểxâydựngthànhmộtbảnđồmớimangcácđặctínhhoàntoànkhácvớibảnđồtrướcđây.Dựavàokỹthuậtchồnglắp cácbảnđồ mà tacó cácphương phápsau:

Hình 1.4: Nguyên Lý chồng lấp bản đồ

1.4.2 Khả năng phân loại các thuộc tính (Reclassification)

Một trong những điểm nổi bật trong tất cả các chương trình GIS trong việc phân tích các thuộc tính số liệu thuộc về không gian là khả năng của nó

để phân loại các thuộc tính nổi bật của bản đồ Nó là một quá trình nhằm chỉ

ra một nhóm thuộc tính thuộc về một cấp nhóm nào đó Một lớp bản đồ mới được tạo ra mang giá trị mới, mà nó được tạo thành dựa vào bản đồ trước đây.Việc phân loại bản đồ rất quan trọng vì nó cho ra các mẩu khác nhau Một trong những điểm quan trọng trong GIS là giúp để nhận biết được các mẩu đó Đó có thể là những vùng thích nghi cho việc phát triển đô thị hoặc nông nghiệp mà hầu hết được chuyển sang phát triển dân cư Việc phân loại bản đồ có thể được thực hiện trên 1 hay nhiều bản đồ…

Hình 1.5: Một ví dụ trong việc phân loại một bản đồ

1.4.3 Khả năng phân tích (Spatial analysis)

- Tìm kiếm (Searching)

- Vùng đệm (Buffer zone)

- Nội suy (Spatial Interpolation)

- Tính diện tích (Area Calculation)

Tìm kiếm ( Searching)

Nếu dữ liệu được mã hoá trong hệ vector sử dụng cấu trúc lớp hoặc lớp phủ, thì dữ liệu được nhóm lại với nhau sau cho có thể tìm kiếm một lớp 1cách dễ dàng

Trong GIS phương pháp này khó khăn khi mỗi một thành phần có nhiều thuộc tính Một hệ lớp đơn giản yêu cầu dữ liệu đối với mỗi lớp phải được phân lớp trước khi đưa vào

Phép logic: Các thủ tục tìm kiếm dữ liệu sử dụng các thuật toán logic Boole để thao tác trên các thuộc tính và đặc tính không gian Đại số Boole sử dụng các toán tử AND, OR, NOT tuỳ từng điều kiện cụ thể cho giá trị đúng, sai

Các phép toán logic không có tính chất giao hoán, chỉ có mức độ ưu tiên cao hơn Nó không chỉ được áp dụng cho các thuộc tính mà cho các đặc tính không gian

Vùng đệm( Buffer zone )

Nếuđườngbiênbêntrongthìgọilàlõicònnếubênngoàiđườngbiênthìgọilàđệm(buffer).Vùngđệmsửdụngnhiềuthaotácphântíchvàmôhìnhhoákhônggian

Nội suy (Spatial Interpolation)

Trong tình huống thông tin cho ít điểm, đường hay vùng lựa chọn thì nội suy hay ngoại suy phải thực hiện để có nhiều thông tin hơn Nghĩa là phải giải đoán giá trị hay tập giá trị mới, phần này mô tả nội suy hướng điểm, có nghĩa

1 hay nhiều điểm trong không gian được sử dụng để phát sinh giá trị mới cho

vị trí khác nơi không đo dữ liệu được trực tiếp

Trong thực tế nội suy được áp dụng cho mô hình hoá bề mặt khi cần phải giải đoán các giá trị mới cho bề mặt 2 chiều trên cơ sở độ cao láng giềng

Tính diện tích (Area Calculation)

+ Dữ liệu Vector: chia nhỏ bản đồ dưới dạng đa giác

+ Dữ liệu Raster: tính diện tích của 1 ô, sau đó nhân diện tích này với số lượng

- Xu hướng thay đổi của đối tượng: cung cấp hướng thay đổi của đối tượng thông qua phân tích các lãnh thổ trong vùng nghiên cứu theo thời gian

- Cấu trúc và thành phần có liên quan của đối tượng: cung cấp mức độ sai lệch của các đối tượng so với kiểu mẫu và nơi sắp đặt chúng đã có từ các nguồn khác

- Các giải pháp tốt nhất để đáp ứng mục tiêu nghiên cứu

- Các mô hình nhằm giả định các phương án khác nhau

1.5.1 Cấu trúc thông tin bản đồ

1 Giới thiệu

Các đối tượng số trong cơ sở dữ liệu không gian là sự phản ánh lại các thực thể trong thế giới thực cùng với thuộc tính tương ứng Điểm mạnh của các hệ thống GIS là khả năng thể hiện nội dung địa lý cả mối quan hệ về không gian giữa chúng Sau đây chúng ta sẽ xem cách mà hệ thống GIS lưu trữ các đối tượng bản đồ như thế nào

Thực thể phức tạp trong thế giới thực, trong bản đồ đều được qui về 4 loại đối tượng số cơ bản như sau:

- Đối tượng kiểu điểm ( point)

- Đối tượng kiểu đường ( line, polyline)

- Đối tượng kiểu vùng ( area, polygon)

- Đối tượng kiểu mô tả ( annotation, text, symbol )

2. Cách phản ánh đối tượng trên bản đồ

a. Sự phản ánh lại các đối tượng địa lý

- Bảnđồthểhiệncácđốitượngđịalýthôngquamôtảbằngtậphợpcácthànhphần

của:đường,màu sắc, ký hiệu và từngữ

- Cácthôngtinđồhoạvàmôtảchochúngtabiếtvềvịtríđịalývàcácthuộctínhcủa cácđối tượngđịa lý

- Môhìnhdữliệusốphảnánhlạicácvịtrí,tínhchấtvàcácquanhệkhônggiandướidạng số

- Bảnđồsốlưutrữdữliệutheoloạiđốitượng.Bảnđồsốlưutheoloạiđốitượngdướiđây:

+ Điểm(Points):Đốitượng đơncóvịtrí.Ví dụTrạmcứuhoả, nhàGiếng

…+ Đường(Arcs):Cácđốitượngdạngtuyến.Vídụđườngsá,sông,đườngđi

ện …+ Vùng(Polygons):Vùngcódiệntích,địnhnghĩabởiđườngbao.Vídụthửaloạiđất …

Đểphảnánhtoànbộcácthôngtincầnthiếtcủabảnđồdướidạngđốitượngsố,cácđốitượngđịalýcònđượcphảnánhtheocấutrúcphânmảnhvàphânlớpthôngtin

• Cấu trúc phân mảnh

Một đối tượng địa lý về mặt không gian có thể liên tục trên một phạm vi rộng Trong cơ sở dữ liệu GIS, do hạn chế về các lý do kỹ thuật như khả năng lưu trữ, xử lý, quản lý dữ liệu mà các đối tượng địa lý lưu trữ dưới dạng cách

mảnh (mapsheet, tile) Tuy nhiên, khái niệm chia mảnh trong cơ sở dữ liệu GIS không hoàn toàn đồng nhất với khái niệm chia mảnh bản đồ thông thường Một mảnh (tile) trong cơ sở dữ liệu GIS có thể có hình dạng bất kỳ miễn sao cho phù hợp với khả năng quản lý và xử lý của hệ thống.

Trong một số hệ thống GIS đã có, người dùng phải tự quản lý cách chia mảnh của mình Tuy nhiên xu hướng hiện nay, các hệ thống GIS đã cung cấp những công cụ cho phép người sử dụng tự động quản lý các mảnh trong cơ sở

dữ liệu Một số GIS tiến bộ hơn, dựa trên các kỹ thuật mới của công nghệ hướng đối tượng, về mặt vật lý, các đối tượng địa lý bị chia cắt theo từng mảnh, nhưng đối với người sử dụng, các đối tượng là liên tục không bị chia cắt

• Cấu trúc phân lớp thông tin

Một trong những bước quan trọng xây dựng cơ sở dữ liệu GIS là phân loại các lớp thông tin (layer, class) Hệ thống GIS lưu trữ các đối tượng địa lý theo các lớp thông tin Mỗi lớp thông tin lưu trữ một loại các đối tượng có chung một tính chất, đặc điểm giống nhau Thiết kế các lớp thông tin rất quan trọng đối với bất kỳ một hệ thống GIS nào Cách phân lớp thông tin sẽ ảnh hưởng rất lớn đến tính hiệu quả, khả năng xử lý và sử dụng lâu dài của cơ sở

dữ liệu không gian

Hình 1.6: Dữ liệu không gian và các lớp thông tin trên đó

Một số nguyên tắc khi thiết kế các lớp thông tin:

- Có các lớp thông tin cơ bản: các ứng dụng khác nhằm cần đến những lớp thông tin cơ bản (thông tin nền) Ví dụ như:

+ Lớp thông tin cơ sở toán học bản đồ: điểm khống chế, khung, điểm độcao, trắc địa nhà nước, v v

+ Lớp thông tin về địa hình

+ Lớp thông tin về hệ thống thuỷ văn

+ Lớp thông tin về hệ thống đường giao thông

- Đủ các lớp thông tin chuyên đề: Tuỳ từng ứng dụng và yêu cầu cụ thể

trước mắt, việc chọn lựa các lớp thông tin chuyên đề được lưu trữ trong cơ sở

dữ liệu và thứ tự nhập vào là quan trọng Nó ảnh hưởng trực tiếp đến giá thành và thời gian xây dựng cơ sở dữ liệu GIS

- Gộp các đối tượng thành một lớp thông tin: không quá chi tiết (để tránh có quá nhiều lớp thông tin phải quản lý) cũng như không quá tổng quát (khó khăn khi muốn xử lý riêng biệt )

b. Mô hình phân lớp đối tượng

Một phân lớp đối tượng (Layer) mà một mô hình dữ liệu lưu trữ một tập loging địa lý có cùng một tính chất chung nào đó và các thuộc tính tương ứng của chúng

Các quan niệm dữ liệu không gian liên quan chặt chẽ với dữ liệu nguồn

để xây dựng nên mô hình không gian trên máy tính Hai nhóm mô hình dữ liệu không gian chính ta thường gặp trong GIS thương mại đó là mô hình dữ liệu vector và mô hình dữ liệu raster Phương pháp biểu diễn các đặc trưng địa

lý bằng các phần tử đồ hoạ cơ bản (điểm, đường, vùng) được gọi là phương pháp vector hay mô hình vector Phương pháp biểu diễn các đặc trưng địa lý bằng các điểm ảnh được gọi là phương pháp raster hay mô hình dữ liệu raster

* Mô hình Vector:

Mô hình dữ liệu vector coi hiện tượng là tập các thực thể không gian cơ

sở và tổ hợp giữa chúng Trong mô hình 2 chiều thì đối tượng sơ đẳng bao gồm điểm, đường và vùng, mô hình 3 chiều còn áp dụng bề mặt 3 chiều và khối Các đối tượng sơ đẳng được hình thành trên cơ sở vector hay toạ độ của các điểm trong một hệ trục nào đó

Điểm là thành phần sơ cấp của dữ liệu địa lý ở mô hình này Các điểm được nối với nhau bằng đoạn thẳng hay các đường cong để tạo thành các đối tượng khác nhau như đường hay vùng

Loại đối tượng sơ đẳng được sử dụng phụ thuộc vào đối tượng quan sát

Tỷ lệ trên bản đồ tỷ lệ lớn, đối tượng thể hiện dưới dạng vùng, tuy nhiên trên bản đồ tỷ lệ nhỏ, đối tượng này có thể thể hiện dưới dạng một điểm Ví dụ: với tỷ lệ nhỏ thì thành phố được biểu diễn bằng điểm, còn đi và sông ngòi được biểu diễn bằng đường, với tỷ lệ trung bình thì thành phố được biểu diễn bằng vùng có đường ranh giới, với tỷ lệ lớn hơn thì thành phố được biểu diễn bởi tập hợp các đối tượng để tạo nên ngôi nhà, đường phố, công viên và các hiện tượng vật lý, hành chính khác Như vậy, mô hình dữ liệu vector sử dụng các đoạn thẳng hay điểm rời rạc để nhận biết các vị trí của thế giới thực Vì vậy, các đối tượng điểm và vùng có thể được dùng phản ánh lẫn nhau

Phương pháp vector hình thành trên cơ sở quan sát đối tượng của thế giới thực Quan sát đặc trưng theo hướng đối tượng là phương pháp tổ chức

thông tin trong các hệ GIS để định hướng các hệ thống quản trị cơ sở dữ liệu Chúng có ưu việt trong việc lưu trữ số liệu bản đồ bởi vì chúng chỉ lưu các đường biên của các đặc trưng, không cần lưu toàn bộ vùng của chúng Các thành phần đồ hoạ biểu diễn của bản đồ liên kết trực tiếp với các thuộc tính của cơ sở dữ liệu cho nên người sử dụng có thể dễ dàng tìm kiếm và hiển thị các thông tin từ CSDL.

• Cấu trúc dữ liệu toànđa giác

Mỗi lớp trong CSDL của cấu trúc toàn đa giác được chia thành tập hợp các đa giác Mỗi đa giác được mã hoá thành trật tự các vị trí hình thành đường biên của vùng khép kín theo hệ trục toạ độ nào đó (hình 8.4) Trong cấu trúc này không có tham số để biết ngay các vùng kề nhau Do quản lý từng đa giác như các đối tượng tách biệt cho nên không có tổ chức topo trong hệ thống này Khái niệm topo đề cập đến các quan hệ giữa các đối tượng không gian khác nhau như đa giác nào cùng chung đường biên, điểm nào thuộc cạnh của

đa giác nào, …

Trong cấu trúc toàn đa giác thì các đoạn xác định đa giác được lưu 2 lần trong CSDL.Một số điểm tạo nên các cạnh đa giác sẽ lưu được nhiều lần Do vậy việc cập nhật, sửa đổi dữ liệu trong tổ chức dữ liệu không gian loại này là rất khó khăn

• Cấu trúc dữ liệu cung – nút

Một khía cạnh quan trọng của mô hình vectorlaf cho khả năng tách biệt các thành phần để đo đạc (diện tích, độ dài) và để xác định các quan hệ không gian giữa các thành phần Quan hệ không gian của liên kết và gần kề là những thí dụ của quan hệ topo

Thông tin về vùng gần kề được lưu trữ bằng mã đặc trưng liên quan đến phía phải hay phía trái của cung “Phải” hay “trái” được xác định từ hướng đi của cung: từ “nút” hay “ đến nút” Để phân biệt đường biên trong và đường biên ngoài, ta quy định chiều quay kim đồng hồ cho đường biên ngoài và ngược chiều quay kim đồng hồ cho đường biên trong Mỗi nút được gắn danh sách cung bao quanh, danh sách cung nối vào nút phải được xếp đặt theo trật

tự xác định trước, theo chiều quay kim đồng hồ hay ngược lại

* Mô hình Raster:

Mô hình dữ liệu dạng raster phản ánh toàn bộ vùng nghiên cứu dưới dạng một lưới các điểm (cell) hay điểm ảnh (pixel) Các hệ thống trên cơ sở raster hiển thị, định vị và lưu trữ dữ liệu đồ hoạ nhờ sử dụng các ma trận hay lưới các điểm ảnh Độ phân giải dữ liệu raster phụ thuộc vào kích thước của của điểm ảnh Dữ liệu raster được thiết lập bằng cách mã hoá mỗi điểm ảnh bằng một giá trị theo các đặc trưng và tính chất trên bản đồcó thể sử dụng số

nguyên, số thực, ký tự hay tổ hợp chúng để làm giá trị Mỗi đặc tính giống nhau sẽ có cùng giá trị số Độ chính xác của mô hình raster phụ thuộc vào kích thước hay độ phân giải của các pixel Một điểm có thể là là một điểm ảnh, một đường là vài điểm ảnh liền kề nhau, một vùng là tập hợp nhiều điểm ảnh.

Các nguồn dữ liệu xây dựng nên dữ liệu raster có thể bao gồm:

- Quét ảnh

- Ảnh máy bay, ảnh viễn thám

- Chuyển từ dữ liệu vector sang

- Lưu trữ dữ liệu dạng RASTER

- Nén theo hàng (Run lengh coding)

- Nén theo chia nhỏ thành từng phần (Quadtree)

- Nén theo ngữ cảnh (Fractal)

Trong một hệ thống dữ liệu cơ bản raster được lưu trữ trong các ô (thường hình vuông) được sắp xếp trong một mảng hoặc các dãy hàng và cột Nếu có thể, các hàng và cột nên được căn cứ vào hệ thống lưới bản đổ thích hợp

Việc sử dụng cấu trúc dữ liệu raster tất nhiên đưa đến một số chi tiết bị mất Với lý do này, hệ thống raster-based không được sử dụng trong các trường hợp nơi có các chi tiết có chất lượng cao được đòi hỏi

* Mô hình lướidữ liệu tam giác không đều ( TIN ) :

Các ứng dụng mô hình hoá địa hình đòi hỏi phương pháp biểu diễn độ cao mặt đất Một trong những phương pháp đó có tên là “ lưới tam giác không đều” (Triangulated Irregular Network - TIN) Khái niệm hình học TIN là tập các đỉnh được nối với nhau thành các tam giác Các tam giác này hình thành

bề mặt 3 chiều Bề mặt TIN được sử dụng để biểu diễn các vấn đề khác nhau như độ cao, mức độ ô nhiễm, lượng mưa, …

Trong bản đồ học thì phương pháp truyền thống để biểu diễn bề mặt địa hình là đường bình độ, tuy nhiên đường bình độ không thuận tiện cho mục đích phân tích Nếu có dữ liệu là đường bình độ thì thông thường chuyển sang phương pháp biểu diễn địa hình chung nhất của hệ GIS lưới tam giác không đều (TIN) Mô hình TIN sẽ bao gồm dãy tam giác không phủ nhau bao trùm toàn bộ bề mặt topo, mỗi tam giác xác định một mặt phẳng, đỉnh của tam giác được mã hoá bởi vị trí của chúng và gắn theo độ cao Khoảng cách không đều của các điểm độ cao dẫn tới ta có tập các tam giác có kích thước và hình dáng khác nhau, nơi các điểm dữ liệu gần nhau thì vùng nghiên cứu sẽ thay đổi độ cao nhanh, nơi điểm dữ liệu xa nhau thì kích thước tam giác tăng nhanh GIS

chứa dữ liệu độ cao trong mô hình TIN cho phép tính toán độ dốc rất hiệu quả, chúng cho phép phát sinh đường bình độ hay phác hoạ ảnh vùng nghiên cứu.

1.5.2 Chuẩn thông tin bản đồ

Chuẩn thông tin bản đồ bao gồm các chuẩn sau:

- Chuẩn về hệ thống toạ độ

- Chuẩn về các sai số

- Chuẩn về các phân mảnh, đánh phiên hiệu mảnh bản đồ số

- Chuẩn về phân lớp thông tin

- Chuẩn về mô hình dữ liệu lưu trữ và mô tả thông tin

Mô tả các chuẩn

1. Chuẩn về hệ thống tọa độ bản đồ

Dữ liệu bản đồ số lưu trong cơ sở dữ liệu phải được đưa về hệ thống toạ

độ và độcao quốc gia trong một hệ chiếu thống nhất

2. Chuẩn về các sai số

Sai số dữ liệu là một yếu tố phải cân nhắc khi xây dựng cơ sở dữ liệu bản

đồ Đối với những loại ứng dụng khác nhau, sai số dữ liệu cho phép cũng có thể khác nhau Ví dụ: Bản địa hình tuân theo các sai số qui định trong qui phạm của bản đồ địa hình Trong các ứng dụng về quản lý môi trường, tài nguyên , sai số của dữ liệu có thể lớn hơn

3. Chuẩn về cách phân mảnh, đánh phiên hiệu mảnh bảnđồ

Để có thể dễ dàng trong quản lý, xử lý mảnh và trợ giúp quá trình tự động hoá xử lý trên mảnh, yêu cầu về chuẩn cách phân mảnh, đánh phiên hiệu mảnh là bắt buộc phải có Có thể nhiều cách phân mảnh, đánh tên khác nhau cho những dạng dữ liệu khác nhau nhưng phải thống nhất tròn cùng một cơ sở

dữ liệu Cách phân mảnh hiện có trên bản đồ giấy Theo đơn vị hành chính, theo phạm vi nghiên cứu v v

4. Chuẩn về phân lớp thông tin

Đây là một chuẩn quan trọng đặc biệt trong các ứng dụng có dữ liệu lớn,

sử dụng lâu dài Chuẩn đòi hỏi mọi thông tin lưu trữ trong cơ sở dữ liệu phải tuân theo các lớp thông tin đã được xác định trước cho cơ sở dữ liệu Bảng phân lớp thông tin phải thể hiện đầy đủ các dữ liệu cần lưu trữ mà không quá tổng quát, hoặc quá chi tiết Chuẩn về tính quan hệ, tương hỗ giữa các lớp thông tin khác nhau Ví dụ đường giao thông không được chạy ra ngoài sông

5. Chuẩn về mô hình dữ liệu lưu trữ và mô tả thông tin

Công nghệ kỹ thuật về phân tích, xử lý có thể thay đổi rất nhanh nhưng

cơ sở dữ liệu thì không thể nhanh chóng thay đổi Chuẩn về mô hình dữ liệu

là chuẩn để đảm bảo cơ sở dữ liệu có thể sử dụng lâu dài và chia sẻ thông tin với các hệ thống GIS khác Chuẩn về mô hình dữ liệu lưu trữ và mô tả thông tin bao gồm:

+ Chuẩn về mô hình dữ liệu: Lựa chọn mô hình dữ liệu nào vector (có / không có topology) hoặc raster cho dữ liệu địa lý, mô hình cơ sở dữ liệu quan

hệ cho dữ liệu thuộc tính

+ Chuẩn về format lưu trữ dữ liệu

- Dữ liệu vector theo DXF, DGN hoặc ArcInfo, Ilwis v v

- Dữ liệu raster theo GRD, TIF, BMP, JPG, JPEG v v

- Dữ liệu thuộc tính theo DBF, MSSQL, TXT họặc ORACLE

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ LIDAR, ẢNH SỐ VÀ

CƠ SỞ DỮ LIỆU NỀN ĐỊA LÝ

Công nghệ Lidar là một công nghệ mới đã được nghiên cứu, phát triển

và đang ứng dụng rất có hiệu quả trong lĩnh vực trắc địa bản đồ, quản lý tài nguyên và môi trường trên thế giới Công nghệ Lidar thực hiện quét laser từ máy bay để xác định chi tiết và chính xác các đối tượng địa lý trên bề mặt trái đất Sản phẩm chính của công nghệ Lidar là mô hình số bề mặt (DSM), mô hình số độ cao (DEM/DTM), ảnh cường độ xám… Dữ liệu của Lidar thu nhận được là tập hợp các điểm với mật độ dày đặc, phân bố bán ngẫu nhiên

và chứa đựng nhiều thông tin định tính và định lượng của cá đối tượng địa lý.Tuy nhiên, cá thông tin hình ảnh đặc trưng của địa hình, địa vật hay cá đường viền của các đối tượng địa lý không thể hiện được rõ ràng và sắc nét trong dữ liệu Lidar Để ứng dụng công nghệ Lidar có hiệu quả hơn, hệ thống Lidar được gắn kết với các máy ảnh số để cung cấp các hình ảnh màu, rất trực quan của các đối tượng địa lý.Dữ liệu ảnh chụp kết hợp với dữ liệu của Lidar tạo nên các sản phẩm như ảnh nắn trực giao (trueorthophoto) mô hình nổi (3D) của bề mặt trái đất với mức độ chi tiết, sắc nét và độ chính xác cao, phục

vụ GIS cũng như thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn và các mục đích ứng dụng chuyên ngành khác

2 Nguyên lý hoạt động

Hệ thống Lidar là một hệ thống tích hợp từ 3 thành phần chính: Hệ thống thiết bị Laser (Light amplification by stimulated emission of radiation), hệ thống GPS (Global Positioning System) và hệ thống INS (Inertial Navigation System)

Hệ thống thiết bị Laser được thiết kế phát các chùm tia laser, thu nhận tia laser phản xạ và thu nhận dữ liệu cường độ tín hiệu laser phản xạ từ các đối tượng khác nhau trên mặt đất, cho phép đo khoảng cách từ máy phát laser đến điểm địa vật hay điểm địa hình bằng việc xác định chính xác thời gian của tia laser đi từ máy quét đến đối tượng trên mặt đất và phản xạ trở lại máy quét

Hệ thống định vị toàn cầu GPS có nhiệm vụ xác định chính xác vị trí (X,Y,Z) của thiết bị quét laser đặt trên máy bay, áp dụng kỹ thuật đo DGPS để đưa toạ độ điểm đo về hệ toạ độ được lựa chọn.

Hệ thống điều khiển hàng hướng quán tính INS sẽ đo gia tốc theo các hướng XYZ, đo các góc nghiêng của máy bay để xác định các góc định hướng của tia quét Các hệ thống trên được kết nối qua bộ điều khiển trung tâm (CPU) và được điều khiển một cách đồng bộ, chính xác bởi một máy tính

đã cài phần mềm tương thích

Công nghệ quét Lidar là hệ thống cảm nhận tích cực sử dụng ánh sáng tia Lazer để đo khoảng cách Khi lắp trên giá đỡ trong máy bay (có cánh cố định hoặc cánh quay) thiết bị này có thể đo nhanh chóng khoảng cách giữa bộ cảm biến đặt trên máy bay và điểm của các đối tượng dưới mặt đất ( tòa nhà, cây ) để thu nhận và tổng hợp các số liệu độ cao dày đặc với độ chính xác cao

Thiết bị Lidar lắp đặt trên giá trong máy bay khi hoạt động phát ra các xung nhanh từ chùm lazer hồng ngoại, chùm tia này chiếu xuống mặt đất bằng gương quét Tín hiệu máy thu nhận được tín hiệu phản hồi từ các đối tượng mặt đất, tiếp sóng lên thiết bị phân biệt, thiết bị này đo được khoảng thời gian giữa tín hiệu truyền đi và nhận về Từ những thông tin này xác định được khoảng cách giữa mặt đất và máy phát Laser trên máy bay Trong quá trình bay theo tuyến thiết kế, hệ thống tiếp thu thông tin trên cơ sở khối dữ liệu dày đặc của các điểm phân tán được lưu giữ chúng ở dạng số Hệ thống thiết bị đo bên trong ghi lại các yếu tố xoay, dạt, nghiêng của giá đỡ Hệ thống GPS động trên máy bay phải nhận đủ tín hiệu của ít nhất 4 vệ tinh và xác định được vị trí không gian của máy quét Thêm vào đó nhiều hệ thống còn có thêm cả camera kỹ thuật số để ghi lại hình ảnh của bề mặt địa hình vừa được quét Một số hệ thống có thêm cả máy quay video để xem khu vực đã thu nhận số liệu

Số liệu quét Lidar kết hợp với số liệu đo tọa độ GPS được khởi tính về

hệ toạ độ mặt đất Khi số liệu bay quét đã được đưa vào phần mềm tương thích xử lý số liệu cho ra các kết quả toạ độ và được thể hiện trên màn hình máy tính Số liệu này có thể sẽ biên tập và xử lý để tổng hợp lên mô hình bề mặt, mô hình độ cao và đường bình độ

Công nghệ lập bản đồ bằng Lidar có khả năng cho phép thu nhận số liệu

độ cao với độ chính xác 15 cm và độ chính xác mặt phẳng là: 1/1000 độ cao bay

Hình 2.1 : Sơ đồ tổng quan hệ thống Lidar

3. Hệ thống thiết bị công nghệ Lidar

Bộ cảm biến Lidar

Các dạng của bộ cảm biến Lidar dùng cho lập bản đồ địa hình hoạt động

ở băng tần số của dải cận hồng ngoại quang phổ, trong khi nếu sử dụng cho

đo sâu thì hoạt động ở băng tần số của dải xanh da trời/xanh lá cây

Đa số các bộ cảm nhận Laser trên thị trường đều có phương pháp chung

đo khoảng cách từ bộ cảm nhận đến địa vật Sự khác biệt trong các hệ thống

là công suất của laser, tốc độ truyền của tia, góc quét và số xung truyền đi trong một giây Một số hệ thống trên thị trường hiện nay có khả năng đo sự phản hồi của nhiều loại của mỗi xung gửi đi và cường độ của sóng thu về.Tính phản hồi nhiều lần rất có ích trong các khu vực thực phủ thưa thớt

mà ở đó sóng phản hồi thứ nhất gặp ngọn cây, sóng phản hồi cuối có thể xuyên tới mặt đất Các bộ cảm nhận thu sóng phản hồi thứ nhất và cuối cùng trong một số trường hợp có thể cung cấp mô hình mặt đất thực với sự biên tập thủ công sẽ ít hơn.Các đặc tính cơ bản của bộ cảm biến Laser bao gồm :

Bảng 2.1 Các đặc tính cơ bản của bộ cảm biến Laser

200 – 6000

1 – 75

0 – 400,3 – 20,5 – 330,25 – 20000,2x0,2 - 12x12

Hệ thốngđịnh vị toàn cầu GPS

GPS cung cấp thông tin về vị trí và thời gian của hệ thống Lidar Các xung Lidar được đánh dấu thời gian từ máy thu GPS để sau đó xác định tương quan trong tổng thể kết quả GPS Các loại máy thu GPS dùng trong hệ thống phải có khả năng thu tín hiệu tần số L1/L2 ở tần suất 1Hz (1 số đo trong 1 giây) Máy thu GPS ở mặt đất cũng phải tương đương Việc xử lý số liệu GPS giữa trạm thu trên máy bay và trạm mặt đất được tính là (OTF) Difeferential GPS trong khi bay OTF cũng được khởi tính như OTF đo động RTK cho phép độ chính xác cao ( <10cm )

Thiết bịđo bên trong

Thiết bị đo bên trong nhằm xác định độ xoay, độ nghiêng và hướng bay trong định hướng của hệ thống Lidar, các giá trị này kết hợp với thông tin vị trí của GPS và số liệu khoảng laser quét cùng với các tính toán chặt chẽ toạ

độ XYZ của điểm thu được

Cách hiển thị cho người thao tác và phi công

Các hiển thị cho người thao tác cung cấp các thông tin có giá trị như các

số liệu đang thu nhận Số lượng các sóng phản hồi đo được, trạng thái vệ tinh

quét Người phi công nhận được hiển thị máy bay dọc theo tuyến bay cùng với các chỉ số trái/phải/độ cao Điều này cho phép phi công dẫn đường theo đúng tuyến bay đã thiết kế.

Ảnh số, băng video

Trong một số hệ thống máy quay kỹ thuật số được sử dụng để cung cấp hình ảnh của khu vực đang thu nhận số liệu Số liệu X, Y, Z từ Lidar có thể được lồng ghép lên hình ảnh này và sử dụng trong quá trình phân loại Trong một số ít hệ thống máy quay Video được lắp tiếp theo laser để ghi hình lại số liệu của khu vực quét laser Thời gian, kinh, vĩ độ được ghi cùng với hiển thị Video Thông tin này được người thao tác sử dụng trong quá trình bay thu nhận số liệu cũng như sử dụng để xử lý số liệu Lidar Phần âm thanh được người thao tác sử dụng để ghi chú các nội dung và địa vật cần quan tâm

Các phần mềm công nghệ Lidar

Các phần mềm phục vụ cho công tác thiết kế: ALTM-NAV Planner Tính toán xử lý số liệu đo GPS : Gpsurvey, APPLANIX- POSGPS Xử lý dữ liệu Lidar : REALM Phân lớp các dữ liệu quét: MICROSTATION / TERRASOLID / TERRASCAN / ALTEXIS để xác định chính xác bề mặt thực địa hình cũng như nội suy mô hình số độ cao DEM

đa phổ lẫn ảnh stereo Các máy ảnh số hiện nay thường dựa trên công nghệ

ma trận ảnh điểm thiết bị nạp kép (thiết bị vi mạch đúp nạp năng luợng - Charged Couple Device) và chia thành 2 loại: Loại chụp khung (frame sensors) sử dụng các ma trận ảnh điểm CCD hình vuông hoặc chữ nhật với các đặc tính hình học tuơng tự như máy ảnh film, còn loại quét dòng (line scanners) sử dụng ma trận ảnh điểm CCD tuyến tính với đặc tính hình học hoàn toàn khác Điểm lợi thế của loại máy ảnh theo công nghệ chụp khung là

có khung hình học cố định đã xác định sẵn cho các bức ảnh phối cảnh theo tâm ảnh và dễ dàng kết nối với hệ thống phần mềm xử lý ảnh Hiện nay, trên thị trường có nhiều loại máy chụp ảnh số, nhưng những loại chính phục vụ chụp ảnh hàng không gồm: Máy ảnh DMC của Intergraph và Ultracam của Vexcel sử dụng công nghệ chụp khung, còn loại ADS40 của Leica sử dụng công nghệ quét tuyến

Các ứng dụng cao cấp chính là động lực thúc đẩy việc phát triển các ma trận ảnh điểm CCD lớn Phần lớn các hệ thống chụp ảnh số phục vụ cho các ứng dụng ảnh hàng không đều dựa trên hai loại ma trận ảnh điểm là 4K * 4K hoặc 7K * 4K (4000 pixel x 4000 pixel và 7000 pixel x 4000 pixel)

Hình 2.2 Mô hình thu ảnh - bên trái (hình A): máy ảnh công nghệ chụp khung cung cấp khung hình riêng biệt của vùng địa hình chụp; và bên phải (hình B): máy ảnh công nghệ quét dòng cung cấp một dải ảnh liên tục của vùng địa hình chụp

2. Giới thiệu một số máy ảnh số chụp ảnh hàng không

Máy chụp ảnh số hàng không là loại thiết bị đặc biệt, hiện nay trên thị trường chỉ có một số loại máy ảnh thương mại đã phổ biến là máy ảnh DMC của hãng Intergraph Z/I Imaging, máy ảnh UltraCam-D của hãng Vexcel, máy ảnh ADS40 của hãng Leica, máy ảnh DSS của hãng Applanix, Rollei AIC P45 của Toposys hay DigiCAM của IGI

a.Các máy ảnh dùng công nghệ chụp khung

* Máy ảnh DMC

Máy ảnh DMC của hãng Intergraph dùng công nghệ ma trận ảnh điểm để phục vụ các ứng dụng ảnh hàng không Máy ảnh DMC sử dụng thiết kế theo cấu trúc module để đạt được độ chính xác hình học cao cho các ứng dụng chụp ảnh hàng không không bị hạn chế bởi độ chính xác số liệu của các thiết

bị đo quán tính (INS) và định vị (GPS) Máy ảnh này sử dụng đầu chụp ma trận ảnh điểm CCD nhiều ống kính có thể điều chỉnh nhẹ theo các góc nghiêng Cách tiếp cận kiểu đa ống kính này cho phép kết hợp việc thu ảnh đen trắng (panchromatic) độ phân giải cao với các khả năng thu dữ liệu đa phổ Theo phương thức này, 4 bức ảnh panchromatic (dựa trên ma trận ảnh điểm loại 4K*7K của Philips) thu được từ các ống kính hội tụ được kết nối số (mosaic) với nhau tạo thành 1 bức ảnh độ phân giải cao Máy ảnh này sử dụng

kỹ thuật TDI (tích hợp theo độ trễ thời gian) để thực hiện việc hiệu chỉnh bù

độ trượt ảnh theo hướng bay hoàn toàn điều khiển bằng điện tử thay vì chỉnh film theo kiểu cơ học đối với các máy ảnh chụp film Máy ảnh DMC được thiết kế theo kiểu module cũng cho phép có thể thay thế các ống kính chụp ảnh bằng các loại khác có độ phân giải và đặc tính kỹ thuật cao hơn theo sự phát triển của công nghệ ống kính chụp ảnh trong tương lai.

Hình 2.3 Máy chụp ảnh số hàng không (DMC) của hãng Intergraph

* Máy ảnh UltraCam – D

UltraCam-D là một loại máy ảnh khác dùng công nghệ chụp khung của hãng Vexcel (Áo) Nguyên tắc cơ bản của máy ảnh UltraCam-D với ma trận ảnh điểm khoảng 90 Megapixels là việc sử dụng kết hợp nhiều ma trận ảnh điểm CCD loại nhỏ hiện có rộng rãi trên thị trường và sắp đặt chúng để đạt được một bức ảnh phối cảnh theo tâm ở cùng một hệ tọa độ Theo nguyên tắc này, cần có một quy trình đặc biệt để đồng bộ thời gian cho việc tạo ra bức ảnh sản phẩm phối cảnh theo tâm

Hình 2.4 Máy ảnh UltraCam của hãng Vexcel Imaging (Áo)

b. Máy ảnh dùng công nghệ quét dòng ADS40

Cách tiếp cận khác trong việc xây dựng các máy ảnh hàng không khai thác công nghệ mảng ảnh điểm CCD tuyến tính theo nguyên tắc tạo mỗi lần 3 dòng ảnh là công nghệ được sử dụng cho máy ảnh ADS40 của hãng Leica Máy ảnh ADS40 cấu tạo từ 7 dòng chụp song song lắp trên một bảng trung tâm của một bảng tiêu cự – 3 dòng đen trắng panchromatic (dòng tiến, dòng đáy, dòng lùi), dòng đỏ, dòng xanh lá cây, dòng xanh da trời được sắp xếp liền cạnh nhau và 1 dòng cận hồng ngoại, tích hợp với công nghệ GPS và công nghệ INS Mỗi một kênh đen trắng bao gồm 2 dòng, mỗi dòng 12000 pixels

so le với nhau bởi 0.5 pixel

Tất cả các dòng CCD lắp đặt trên tấm bảng tiêu cự (cả đen trắng lẫn đa phổ), tại mỗi thời điểm đều có vị trí và độ cao riêng của mình, có góc nhìn và

độ căn chỉnh khác nhau, và điều này dẫn đến cấu trúc hình học phức tạp hơn hẳn của ảnh so với các ảnh tạo theo phương pháp chụp khung Độ sai lệch hình học có thể phức tạp hơn hẳn và điều này khiến cho vai trò của các thiết

bị GPS/INS trở nên tuyệt đối cần thiết (bắt buộc) trong việc tạo ra bức ảnh sản phẩm cuối cùng

2.1.3 Tính năng của hệ thống tích hợp chụp ảnh số và quét Lidar

Dữ liệu của Lidar thu nhận được là tập hợp các điểm với mật độ dày đặc, phân bố bán ngẫu nhiên và chứa đựng nhiều thông tin định tính và định lượng của các đối tượng địa lý Tuy nhiên, các thông tin hình ảnh đặc trưng của địa hình, địa vật hay các đường viền của các đối tượng địa lý không thể hiện được

rõ ràng và sắc nét trong dữ liệu Lidar Để ứng dụng công nghệ Lidar có hiệu quả hơn, hệ thống Lidar được gắn kết với các máy ảnh số để cung cấp hình ảnh mầu, trực quan của các đối tượng địa lý Dữ liệu ảnh chụp kết hợp với các

dữ liệu của Lidar tạo nên các sản phẩm như trực ảnh thực (trueorthophoto),

mô hình nổi (3D) của bề mặt trái đất với mức độ chi tiết, sắc nét và độ chính xác rất cao Các sản phẩm từ hệ thống tích hợp Lidar và máy ảnh số là dữ liệu

lý tưởng cho công tác thành lập cơ sở dữ liệu thông tin địa lý độ chính xác cao, phục vụ GIS cũng như thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn và các mục đích ứng dụng chuyên ngành khác

Hiện nay các hãng chế tạo Lidar hàng đầu trên thế giới đều nghiên cứu, phát triển kết hợp hệ thống Lidar với máy chụp ảnh số, tạo nên một công nghệ tích hợp Lidar với máy ảnh số Công nghệ tích hợp Lidar với máy ảnh số sẽ

kế thừa, phát huy tối đa dữ liệu của công nghệ Lidar và ảnh số để tạo ra sản phẩm đa dạng đặc biệt Công nghệ Lidar tạo ra mô hình số bề mặt DSM có độ trung thực, chính xác cao là nền tảng để tạo ra trực ảnh chất lượng tốt Tích hợp hệ thống Lidar với máy ảnh số là một tổ hợp thống nhất và được thể hiện

ở cả tích hợp phần cứng, phần mềm xử lý và quy trình sản xuất

Máy ảnh số được lắp ghép với hệ thống Lidar tạo nên một chỉnh thể tích hợp, được định vị và điều khiển đồng bộ trong một hệ thống Hệ thống phần

cứng của Lidar với máy ảnh số được gắn kết trong mối quan hệ hình học và thể hiện bằng một ma trận kiểm định chặt chẽ.

Trong quá trình quét laser, máy chụp ảnh số sẽ chụp ảnh ở các thời điểm

đã được thiết kế Căn cứ vào thời điểm chụp ảnh, trên cơ sở kết quả định vị của GPS, định hướng của INS trong hệ thống Lidar, phần mềm sẽ tính toán yếu tố định hướng ngoài cho từng tấm ảnh (Xi, Yi, Zi,ϕi, ωi, κi )

Từ ảnh gốc, mô hình số bề mặt DSM của Lidar và yếu tố định hướng ngoài của ảnh, phần mềm sẽ nắn ảnh tạo bình đồ trực ảnh (trueorthophoto),

mô hình nổi 3D và các sản phẩm ảnh khác Mỗi phần mềm thường được thiết

kế tương ứng với phần cứng và có phương thức, quy trình xử lý khác nhau Điểm chung của các phần mềm tích hợp là kế thừa và tương thích toàn bộ định dạng của dữ liệu Lidar (đầu vào và trung gian) trong xử lý dữ liệu ảnh

2.2 CSDL nền địa lý

2.2.1 Một số khái niệm

Đối tượng nội dung bản đồ là các thông tin trên bản đồ địa hình được

quản lý ở dạng số và hiển thị dưới dạng đồ hoạ, được kí hiệu hoá bằng các thư viện kí hiệu đã được thiết kế theo qui định hiện hành của bản đồ địa hình Các nội dung bản đồ là các nội dung phải khái quát, tổng hợp và phụ thuộc mức

độ dung nạp khi in bản đồ trên giấy ở từng loại tỷ lệ

Đối tượng địa lí (Feature) là mô tả một sự vật, hiện tượng trong thế giới

thực (đường giao thông, sông, lượng mưa trong năm, v.v.) có liên quan trực tiếp hoặc gián tiếp đến một vị trí địa lý hoặc mô tả một đối tượng không tồn tại trong thế giới thực nhưng cần thiết cho các mục đích sử dụng cụ thể (địa giới hành chính, ranh giới thửa đất,…)

Thuộc tính của đối tượng địa lý (Feature attribute) là loại dữ liệu mô

tả đặc tính cụ thể của đối tượng địa lý

Dữ liệu địa lý gốc là một dạng sản phẩm của dữ liệu địa lý “nền”, bao

gồm tập hợp các đối tượng đồ hoạ (Element) trong đó mỗi đối tượng xác lập lên thuộc tính không gian và quan hệ hình học của một đối tượng địa lý Tuỳ thuộc vào mô tả đối tượng địa lý và thông tin định tính định lượng mà sử dụng loại đối tượng đồ hoạ thích hợp cho từng loại đối tượng địa lý (Feature Type) Với sản phẩm dữ liệu địa lý gốc, đối tượng địa lý được phân loại bằng các thuộc tính đồ hoạ (lớp, màu, lực nét, kiểu kí hiệu ) và ghi nhận thông tin định tính định lượng qua thể hiện (ghi chú dạng text, kí hiệu dạng điểm – Cell, dạng đường – Linesty) theo các qui định thống nhất, cho phép đồng thời đóng gói được các bộ cơ sở dữ liệu nền địa lý theo qui chuẩn và tạo thể hiện bản đồ địa hình truyền thống theo mẫu kí hiệu hiện hành

Cơ sở dữ liệu nền địa lý là một sản phẩm được xây dựng từ dữ liệu của

tập hợp các đối tượng địa lý dựa trên các tiêu chuẩn kỹ thuật nhất định (ví dụ:

OGC, W3C, ISO TC211, ), có khả năng mã hoá, cập nhật và trao đổi qua các dịch vụ truyền tin hiện đại Định dạng mở, không phụ thuộc vào phần mềm gia công dữ liệu.

CSDL nền địa lý là CSDL địa lý để mô tả thế giới thực ở mức cơ sở, có

độ chi tiết và độ chính xác đảm bảo để làm “nền” cho các mục đích xây dựng các hệ thống thông tin địa lý chuyên đề khác nhau Mỗi khu vực địa lý cần được mô tả bởi loại dữ liệu “nền” phù hợp sao cho mức độ khái lược và thu nhỏ mô hình thực địa là ít nhất, cho phép đủ phục vụ đa mục đích Theo đó, tuỳ thuộc vào mô hình quản lý, khai thác ứng dụng, cập nhật sản phẩm dữ liệu địa lý để định hướng cho công tác đo đạc xây dựng CSDL nền trên phạm vi cả nước hoặc theo khu vực địa lý phục vụ đa mục đích (Ví dụ CSDL nền địa lý ở

tỷ lệ 1/10.000 bao trùm toàn bộ lãnh thổ; CSDL nền địa lý ở tỷ lệ 1/2000, 1/5000 sẽ có mức độ chi tiết và độ chính xác cao hơn, thường dành cho các khu vực đô thị, thành phố )

2.2.2 Cơ sở toán học

Dữ liệu địa lý gốc 1/2.000 được tổ chức thi công theo đơn vị sản phẩm là mảnh bản đồ địa hình tỷ lệ 1/2000 để thuận tiện cho đồng thời cả mục đích biên tập bản đồ truyền thống Nhưng đối tượng địa lý phải đảm bảo tiếp khớp tuyệt đối giữa các mảnh kế cận để đảm bảo phủ kín phạm vi địa lý bằng cách tổng hợp dữ liệu địa lý gốc Cách chia mảnh và đánh số phiên hiệu mảnh bản

đồ tỷ lệ 1/2.000 theo tài liệu hướng dẫn áp dụng Hệ quy chiếu và Hệ tọa độ quốc gia VN-2000 Nội dung của dữ liệu địa lý trong từng đơn vị sản phẩm đều phải tuân thủ thống nhất theo các quy định của tài liệu hướng dẫn kiểm tra, thẩm định, nghiệm thu công trình sản phẩm đo đạc và bản đồ và phải đảm bảo liên kết được trong toàn bộ phạm vi khu vực thi công theo từng thành phố thành một bộ dữ liệu thống nhất và tiếp biên với các khu vực kế cận theo các Qui phạm hiện hành

Mảnh bản đồ địa hình tỷ lệ 1/2.000 tại khu vực nghiên cứu khảo sát thành phố Vinh - Cửa Lò có các tham số như sau: Lưới chiếu UTM; Múi chiếu 30; Kinh tuyến Trung Ương 1050 kinh độ Đông; Hệ toạ độ VN-2000, hệ

độ cao Quốc gia Việt Nam

2.2.3 Mô hình cấu trúc và nội dung cơ sở dữ liệu nền địa lý

Một CSDL địa lý là tập hợp của nhiều đối tượng địa lý Trong đó, mỗi đối tượng địa lý được định nghĩa với các thành phần thông tin cơ bản sau :

- Thông tin về hình học (không gian): là thông tin mô tả vị trí của đối tượng địa

lý thông qua tọa độ trong một hệ quy chiếu nhất định Các đối tượng địa lý được mô hình hoá thành các kiểu đối tượng hình học cơ bản như điểm, đường

và vùng Một điểm được mô tả bởi một cặp toạ độ x, y Đường được mô tả bằng một chuỗi các điểm Vùng là một đường khép kín

- Thông tin về thời gian: là thông tin mô tả các tính chất thời gian của đối tượng địa lý Chẳng hạn như đối tượng tồn tại từ khi nào, đối tượng có những thể hiện đặc biệt gì trong một khoảng thời gian nhất định…

- Thông tin thuộc tính chủ đề: là tất cảc các thuộc tính phi không gian, thời gian của đối tượng địa lý Các thông tin này mô tả một số các đặc tính cụ thể của đối tượng theo một chủ đề nhất định

- Thông tin quan hệ: là quan hệ giữa các đối tượng địa lý với nhau, bao gồm các quan hệ về không gian, cũng như thời gian

- Các thao tác: là các hành vi của đối tượng địa lý tại một số điều kiện nhất định

Chuẩn thông tin địa lý cơ sở quốc gia quy định cấu trúc CSDL địa lý phải được định nghĩa và biểu diễn dưới dạng một lược đồ ứng dụng Lược đồ ứng dụng bao gồm các định nghĩa về kiểu đối tượng địa lý, các lớp UML chứa các kiểu đối tượng địa lý, và các quan hệ giữa các kiểu đối tượng địa lý được biểu diễn dưới dạng quan hệ giữa các lớp UML Một lược đồ ứng dụng UML được xây dựng phải tuân theo các quy tắc được chỉ ra trong tài liệu Chuẩn thông tin địa lý cơ sở quốc gia

Theo các qui định của chuẩn nội dung dữ liệu nền địa lý, mô hình dữ liệu của hệ thống bao gồm:

Mô hình dữ liệu vector topology bao gồm các khái niệm về mô hình hoá

3 kiểu dữ liệu điểm, đường, vùng như sau:

- Đỉnh (vertex) : Được mô hình hoá bằng một toạ độ

- Nút (node) : Được mô hình hoá bởi một toạ độ

- Cạnh (Arc) : Được tạo từ các đỉnh và các node

Theo đó một đối tượng dạng tuyến (đường) sẽ được coi như một arc và được định nghĩa như một tập các đỉnh với node đầu và node cuối Một đối tượng vùng sẽ được tạo từ một tập các arc Ngoài dữ liệu không gian, một arc khi tham gia vào thiết lập một vùng sẽ có thêm những tính chất sau: một hướng được xác định thông qua node đầu và node cuối, vùng trái, vùng phải.Với mô hình dữ liệu vector topology có ưu điểm là tối ưu hoá việc lưu trữ do sử dụng một số tối thiểu toạ độ để mô tả đối tượng, khả năng sử dụng

để phục vụ phân tích cao, tiền đề để phát triển các lớp thông tin phức tạp, độ chính xác dữ liệu cao đặc biệt mô tả một cách chính xác các quan hệ không gian của đối tượng Nhược điểm là mô hình dữ liệu phức tạp, công biên tập

dữ liệu lớn

Với mô hình dữ liệu vector topology sẽ có một số qui tắc chung áp dụng cho tất cả các lớp thông tin trong CSDL nền địa lý:

- Đối tượng không được tự cắt.

- Đối tượng không bị trùng đè

- Đối tượng chỉ giao nhau tại node

Đối với các lớp thông tin tham gia tạo vùng sẽ có thêm qui tắc sau: không còn lỗi "bắt" chưa tới, lỗi "bắt" quá

Nội dung và cấu trúc CSDL được xây dựng dựa trên các tài liệu thuộc Qui định áp dụng chuẩn thông tin địa lý cơ sở Quốc gia và các văn bản hướng dẫn áp dụng chuẩn Đối với CSDL nền địa lý 1/2.000 cấu trúc dữ liệu được chỉ ra cụ thể trong danh mục đối tượng bao gồm: mô tả định nghĩa đối tượng kèm theo các thông tin thuộc tính và quan hệ giữa các lớp đối tượng thông qua lược đồ ứng dụng cũng như tiêu chí và phương pháp đánh giá chất lượng

dữ liệu địa lý

Mô hình cấu trúc đối tượng địa lý tổng quát:

Hình 2.5 Mô hình cấu trúc nội dung DLĐL