Xây dựng bản đồ hiện trạng lớp phủ mặt đất bằng công nghệ viễn thám và GIS

MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU 1 1. Tính cấp thiết của đề tài 1 2. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài 2 3. Đối tượng nghiên cứu 2 4. Phương pháp nghiên cứu 2 5. Nội dung chính 2 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VIỄN THÁM VÀ GIS 4 1. Tổng quan về viễn thám 4 1.1. Khái niệm viễn thám và ảnh viễn thám 4 1.3. Phân loại ảnh viễn thám 6 1.4. Lịch sử phát triển của khoa học viễn thám 7 1.5. Các phương pháp xử lý ảnh viễn thám 8 2. Tổng quan về GIS 10 2.1 Khái niệm về GIS 10 2.1.1 Khái niệm về GIS 10 2.1.2 Lịch Sử hình thành GIS 11 2.2 Các thành phần của hệ thống thông tin địa lý (GIS) 11 2.2.1 Thiết bị (hard ware) 12 2.2.2 Phần mềm (Software) 15 2.2.3 Chuyên viên (Expertise) 16 2.2.4 Số liệu, dữ liệu địa lý (Geographic data) 17 2.2.5 Chính sách và phương pháp (Policy and methodology) 17 2.3 Cơ sở dữ liệu trong GIS 18 2.3.1 Mô hình thông tin không gian 19 2.3.1.1 Hệ thống vector 19 2.3.2 Mô hình thuộc tính không gian 23 2.3.3 Các định dạng dữ liệu GIS 25 2.3.3.1 Dạng Tab 25 2.3.3.2 Dạng Vector 26 2.3.3.3 Dạng Raster 26 2.3.3.5 Dạng Coverage 26 2.3.3.6 Dạng Geodatabase 27 CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG BẢN ĐỒ HIỆN TRẠNG LỚP PHỦ ỨNG DỤNG VIỄN THÁM VÀ GIS 28 2.1. Tư liệu và tài liệu sử dụng: 28 2.2. Quy trình công nghệ xây dựng bản đồ hiện trạng lớp phủ mặt đất bằng viễn thám và GIS 28 2.3 Download ảnh vệ tinh 29 2.3.1. Địa chỉ và giao diện download ảnh vệ tinh. 29 2.3.2. Các thông số của ảnh. 29 2.4 Phân tích ảnh bằng mắt 35 2.5.1.gộp ảnh 36 2.5.2.Cắt ảnh 40 2.6.Xử lý ảnh số 46 2.6.1.Phân Loại 46 2.6.1.1Chọn mẫu phân loại 48 2.6.1.2.Phân loại mẫu 49 2.6.1.3.Đánh giá độ chính xác kết quả phân loại 51 2.6.1.3.Phân tích theo đa số và thiểu số 55 2.7 Xây dựng bản đồ hiện trạng lớp phủ mặt đất huyện Hoài Đức năm 2015 bằng phần mềm ARCGIS 63 2.7.1. Khởi động và hiển thị dữ liệu 63 2.7.2 Thể hiện đối tượng 65 2.7.3. Ghi chú, giải thích, bảng biểu hoàn thiện bản đồ. 67 2.7.4 Tạo thước tỷ lệ và hướng bản đồ: 68 2.7.5. Tạo bảng chú giải 69 2.7.6 Đặt tiêu đề và hoàn hiện biên tập bản đồ 71 2.7.7. Thành quả và xuất in bản đồ. 72 2.7.7.1. bản đồ hoàn chỉnh 72 2.7.7.2. thống kê số liệu 72 Chương 3 THỰC NGHIỆM 74 3.1 Giới thiệu về khu vực Hoài Đức 74 3.2 Đặc điểm tự nhiện 74 3.3 Đặc điểm kinh tế xã hội 74 3.4 Tư liệu sử dụng 75 3.5 Kết quả và thảo luận 75 3.5.1 Kết quả 75 3.5.2 Thảo Luận 75 Kết Luận và Kiến Nghị 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO 78   DANH MỤC HÌNH Hình 1 1 Các hợp phần thiết yếu cho công nghệ GIS 12 Hình 1 2 Các thành phần thiết bị cơ bản của GIS 12 Hình 1 3 Bàn số hoá ( Digitizer) 14 Hình 14 Máy quét (Scanner) (Nguồn : Weir 1988) 14 Hình 15 Máy in (printer) 15 Hình 1 6 Máy vẽ (plotter) 15 Hình 17 Số liệu vector được biểu thị dưới dạng điểm 19 Hình 1 8 Số liệu vector được biểu thị dưới dạng Arc 20 Hình 19 Số liệu vector được biểu thị dưới dạng vùng (Polygon) 20 Hình 1 10 Một số khái niệm trong cấu trúc cơ sở dữ liệu bản đồ 21 Hình 111 Sự biểu thị kết quả bản đồ dưới dạng Raster 22 Hình 112 Sự chuyển đổi dữ liệu 23 Hình1 13 Mối quan hệ giữa thông tin bản đồ và thông tin thuộc tính 25 Hình 21 giao diện web tải ảnh 29 Hình 22 Phần address tải ảnh 30 Hình 23 Phần Datasets tải ảnh 31 Hình 24 Chọn ảnh download 32 Hình 25 File ảnh sau khi giải nén 33 Hình 26 File ảnh sau khi ta ghép 39 Hình 27 Ảnh cắt khu vực Hoài Đức 46 Hình 28 Ảnh phân loại khu vực Hoài Đức 50 Hình 29 Bảng so sánh giữa các mẫu 52 Hình 210 Bảng ma trận sai số giữa các mẫu 55 Hình 211 Kết quả sau khi lọc nhiễu 58 Hình 212 Ảnh vecto khu vực Hoài Đức 61 Hình 213 Kết quả bảng chú giải 70 Hình 214 Bản đồ hiện trạng lớp phủ huyện Hoài Đức 72 Hình 31 Bảng thống kê diện tích bề mặt lớp phủ mặt đất huyện Hoài Đức 2015 75

Tuy đã cố gắng nhất địnhnhưng trong thời gian và trình độ có hạn nên chắc chắn luận văn này còn nhiều thiếu sót và hạn chế nhất định Kính mong nhận được

sự góp ý của thầy cô và các bạn

1

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan kết quả đạt được trong luận văn là sản phẩm nghiên cứu , tìm hiểu của riềng cá nhân tôi Trong toàn bộ nội dung của luận văn, những điều được trình bày hoặc là cá nhân tôi hoặc là tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu Tất cả các tài liệu tham khảo đều có xuất xứ rõ ràng và được trích dẫn hợp pháp

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và chịu mọi hình thức kỷ luật theo qui định của lời cam đoan của mình

Hà Nội ngày 30 tháng 5 năm 2016

Người cam đoan

Đặng Thanh Tùng

MỤC LỤC

3

DANH MỤC HÌNH

LỜI MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Bản đồ hiện trạng là tài liệu quan trọng và cần thiết trong công tác thiết kế quy hoạch và quản lý đất đai Bản đồ hiện trạng sử dụng đất được sử dụng như một loại bản đồ thường trực làm căn cứ để giải quyết các bài toán tổng thể cần đến thông tin hiện thời về tình hình sử dụng đất và luôn giữ vai trò nhất định trong nguồn dữ liệu về hạ tầng cơ sở Bản đồ hiện trạng sử dụng đất là nguồn tài liệu làm

cơ sở để thành lập bản đồ địa chính và hổ trợ đắc lực cho công tác thống kê, kiểm

kê đất đai; lập quy hoạch và kế hoạch sử dụng đất Trước đây, một số cấp đơn vị hành chính đã sử dụng phương pháp thủ công để đo vẽ và thành lập bản đồ do đó độ chính xác không cao nên đã làm ảnh hưởng đến công tác quản lý đất đai Vì vậy, việc ứng dụng công nghệ số để thành lập bản đồ hiện trạng lớp phủ là điều cần thiết trong giai đoạn này

Công nghệ viễn thám, một trong những thành tựu khoa học vũ trụ đã đạt đến trình độ cao và đã trở thành kỹ thuật phổ biến được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực kinh tế xã hội ở nhiều nước trên thế giới, không những đối với các nước phát triển có trình độ khoa học kỹ thuật tiên tiến mà còn đối với các nước đang phát triển với nền kinh tế còn lạc hậu Nhu cầu ứng dụng công nghệ viễn thám và hệ thống thông tin địa lý GIS trong lĩnh vực điều tra nghiên cứu, khai thác sử dụng, quản lý tài nguyên thiên nhiên và môi trường ngày càng gia tăng nhanh chóng trong phạm vi toàn Quốc gia và Quốc tế Những kết quả thu được từ công nghệ viễn thám

và GIS giúp cho các nhà khoa học và các nhà hoạch định chính sách đưa ra các phương án lựa chọn có tính chiến lược về quản lý sử dụng tài nguyên thiên nhiên và môi trường.Ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS trong thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất đã được ứng dụng rộng rãi trong thời gian gần đây và đem lại hiệu quả cao, giúp các nhà địa lý nghiên cứu, điều tra tài nguyên nắm bắt thông tin nhanh chóng và đồng bộ trên diện rộng

Hoài Đức có Địa hình của huyện nằm trong vùng chuyển tiếp giữa miền núi

và đồng bằng, gồm 3 vùng đồi núi, đồng bằng, vùng bãi Có nhiều thay đổi về hiện trạng đất trong thời kì phát triển trong thời gian gần đây để có thể quản lý và theo 5

dõi tốt thì ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS để thành lập bản đồ hiện trạng lớp phủ mặt đất năm 2015 là nhiệm vụ cấp thiết.

2 Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài

3 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là huyện Hoài Đức thành phố Hà Nội

4 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp viễn thám và GIS: phương pháp này sử dụng phần mềm phân

tích và giải đoán ảnh viễn thám ENVI 4.5 và phần mềm Arcgis được sử dụng để biên tập và lưu trữ bản đồ

- Phương pháp tổng hợp và xử lý thông tin: phương pháp này được vận dụng

để phân tích,tổng hợp và xử lý các tài liệu thu thập được để thấy được hiện trạng lớp phủ các loại đất trên địa bàn huyện

5 Nội dung chính

Xây dựng bản đồ hiện trạng lớp phủ mặt đất bằng công nghệ viễn thám và GIS.Trong đồ án đề cấp những nội dung lớn như sau:

Chương 1 Tổng quan về viễn thám và GIS

Chương 2 Cơ sở lý thuyết

Chương 3 Phương pháp xây dựng bản đồ hiện trạng lớp phủ ứng dụng viễn thám và công nghệ GIS

7

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VIỄN THÁM VÀ GIS

1 Tổng quan về viễn thám

1.1 Khái niệm viễn thám và ảnh viễn thám

- Viễn thám (Remote sensing - tiếng Anh) được hiểu là một khoa học và nghệ thuật để thu nhận thông tin về một đối tượng, một khu vực hoặc một hiện tượng thông qua việc phân tích tư liệu thu nhận được bằng các phương tiện Những phương tiện này không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tượng, khu vực hoặc với hiện tượng được nghiên cứu.Sau đó là thực hiện phân tích, xử lý và ứng dụng các thông tin này vào nhiều lĩnh vực khác nhau

- Viễn thám không chỉ tìm hiểu bề mặt của Trái Đất hay các hành tinhmà nó còn có thể thăm dò được cả trong các lớp sâu bên trong các hành tinh Người ta có thể sử dụng máy bay dân dụng, chuyên dụng hay các vệ tinh nhân tạo để thu phát các ảnh viễn thám

- Nhu cầu ứng dụng công nghệ viễn thám trong lĩnh vực điều tra nghiên cứu, khai thác, sử dụng, quản lý tài nguyên thiên nhiên và môi trường ngày càng gia tăng nhanh chóng không những trong phạm vi quốc gia, mà cả phạm vi quốc tế

- Những kết quả thu được từ công nghệ viễn thám giúp các nhà khoa học và các nhà hoạch định chính sách các phương án lựa chọn có tính chiến lược về sử dụng và quản lý tài nguyên thiên nhiên và môi trường Vì vậy viễn thám được sử dụng như là một công nghệ đi đầu rất có ưu thế hiện nay

- Ảnh viễn thám (ảnh vệ tinh) là ảnh số thể hiện các vật thể trên bề mặt trái đất được thu nhận bởi các bộ cảm biến đặt trên vệ tinh Như vậy viễn thám thông qua kỹ thuật hiện đại không tiếp cận với đối tượng mà xác định nó qua thông tin ảnh chụp từ khoảng cách vài chục mét tới vài nghìn km

1.2 Đặc điểm của ảnh viễn thám

- Ảnh viễn thám đặc trưng bởi dữ liệu không gian với hai dạng cấu trúc là dạng raster và dạng vector:

- Cấu trúc dạng raster: Mô tả bề mặt Trái Đất và các đối tượng trên đó bằng một lưới gồm các hàng và cột Những phần tử nhỏ này được gọi là pixel

-Giá trị của pixel chính là thuộc tính của đối tượng, nghĩa là trên cùng một đơn vị diện tích mà số ô pixel càng nhiều thì đối tượng nhìn càng rõ càng chính xác

và ngược lại Một mặt phẳng chứa đầy các pixel thì tạo thành một raster Cấu trúc dạng này thường được dùng để mô tả các đối tượng hiện tượng phân bố liên tục trong không gian, dùng để lưu dữ thông tin dạng ảnh Thông thường có một số

mô hình biểu diễn bề mặt như DEM (Digital Elevation Model), DTM (Digital Terrain Model), Tin (Triangulated Irregular Network) cũng thuộc dạng raster

-Ưu điểm của cấu trúc dữ liệu dạng raster là dễ thực hiện các chức năng xử

lý và phân tích Tốc độ tính toán nhanh, thực hiện các phép tính bản đồ dễ dàng Tuy nhiên nó lại kém chính xác về vị trí không gian của đối tượng Khi độ phân giải càng thấp tức là kích thước ô pixel lớn thì sự sai lệch càng lớn

- Cấu trúc vector: Mô tả vị trí và phạm vi của các đối tượng không gian bằng tọa độ cùng các kết hợp hình học gồm nút, cạnh, mặt và quan hệ giữa chúng Về mặt hình học, các đối tượng được phân biệt thành 3 dạng: đối tượng dạng điểm (point), đối tượng dạng đường (line) và đối tượng dạng vùng (region hay polygon) Điểm được xác định bằng một cặp tọa độ X,Y Đường là một chuỗi các cặp tọa độ X,Y liên tục Vùng là khoảng không gian được giới hạn bởi một tập hợp các cặp tọa độ X,Y trong đó điểm đầu và điểm cuối trùng nhau Với đối tượng vùng, cấu trúc vector phản ảnh đường bao

-Cấu trúc vector có ưu điểm là vị trí của các đối tượng được định vị chính xác (nhất là các đối tượng điểm, đường và đường bao) Cấu trúc này giúp cho người sử dụng dễ dàng biên tập bản đồ, chỉnh sửa, in ấn Tuy nhiên cấu trúc này

có nhược điểm là phức tạp khi thực hiện các phép chồng xếp bản đồ Ảnh viễn thám có một số đặc điểm nổi bật như sau:

+ Tỷ lệ: Là tỷ số khoảng cách giữa hai điểm của một ảnh tương ứng với khoảng cách trên mặt đất của hai điểm đó Tỷ lệ hình ảnh được xác định bởi các yếu tố như: Độ dài tiêu cự hiệu dụng của thiết bị viễn thám; độ cao mà từ đó hình ảnh được thu nhận; yếu tố phóng đại được sử dụng trong in phóng ảnh

9

+ Độ sáng và tone ảnh: Sự khác nhau về cường độ của bức xạ điện từ phát

ra từ địa hình tạo nên sự khác nhau về độ sáng của hình ảnh, độ sáng của hình ảnh tỷ lệ với cường độ bức xạ phát ra từ các đối tượng

+ Độ sáng: Đó là lượng ánh sáng tác động vào mắt của chủ thể mà có thể xác định được một cách tương đối Để đo cường độ ánh sáng người ta thường dùng quang kế (photometro) Khi phân tích ảnh, để phân biệt độ sáng của ảnh có thể hiệu chỉnh bằng thang cấp độ xám, ảnh được phân ra các vùng có tông sáng, trung bình hay tối dựa vào thang độ xám

Tone ảnh: là tổng hợp lượng ánh sáng được phản xạ về mặt đối tượng, là dấu hiệu quan trọng để xác định đối tượng

+ Độ phân giải không gian và năng lực phân giải: Độ phân giải được hiểu như là khả năng để phân biệt hai đối tượng ở liền nhau trong một bức ảnh, nói chính xác hơn là khoảng cách tối thiểu giữa các đối tượng mà có thể nhận biết

và phân biệt được trên ảnh Năng lực phân giải và độ phân giải không gian là hai khái niệm có sự liên hệ rất chặt chẽ Khái niệm phân giải được áp dụng cho một hệ thống tạo ảnh hay một thành phần của hệ thống, trong khi đó độ phân giải không gian được áp dụng cho một ảnh được tạo ra bởi hệ thống đó Độ phân giải: Đây là đặc điểm quan trọng liên quan trực tiếp đến chất lượng ảnh, độ phân giải chịu ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố như đặc điểm khu vực bay chụp,

hệ thống chụp ảnh, độ cao bay chụp, tốc độ bay chụp, điều kiện khí quyển tại thời điểm chụp

1.3 Phân loại ảnh viễn thám

- Ảnh quang học: Nguồn năng lượng chính là bức xạ Mặt Trời

- Ảnh quang học là ảnh viễn thám nhận được dựa vào sự đo lường năng lượng sóng điện từ có bước sóng nằm trong dải tần từ ánh sáng nhìn thấy đến hồng ngoại phản xạ (từ 0,3µm đến 3µm)

- Ảnh nhiệt: Nguồn năng lượng sử dụng là bức xạ nhiệtdo chính vật thể sản sinh ra Ảnh nhiệt là loại ảnh được tạo ra bởi việc thu nhận các bước sóng hồng ngoại phát ra từ vật thể (bước sóng 8 - 14µm)

- Ảnh radar:Nguồn năng lượng chính là sóng radar phản xạ từ các vật thể

do vệ tinh phát xuống theo những bước sóng đã được xác định.Ảnh radarlà loại ảnh được tạo ra bởi việc thu nhận các bước sóng được sử nằm trong dải tần sóng

vô tuyến cao tần (1 cm - 1 m)

-Ảnh thu nhận bằng sóng địa chấn: cũng là một loại ảnh viễn thám

-Ảnh viễn thám có thể được lưu theo các kênh ảnh đơn (trắng đen) ở dạng

số

trong máy tính hoặc các kênh ảnh được tổ hợp (ảnh màu) hoặc có thể in ra giấy, tùy theo mục đích người sử dụng

1.4 Lịch sử phát triển của khoa học viễn thám

-Viễn thám là một khoa học, thực sự phát triển mạnh mẽ qua hơn ba thập kỷ gần đây, khi mà công nghệ vũ trụ đã cho ra các ảnh số, bắt đầu được thu nhận từ các vệ tinh trên quĩ đạo của trái đất vào năm 1960 Tuy nhiên, viễn thám có lịch sử phát triển lâu đời, bắt đầu bằng việc chụp ảnh sử dụng phim và giấy ảnh

Từ thế kỷ XIX, vào năm 1839, Louis Daguerre (1789 - 1881) đã đưa ra báo cáo công trình nghiên cứu về hóa ảnh, khởi đầu cho ngành chụp ảnh

- Năm 1858 G.F.Toumachon người Pháp đã sử dụng kinh khí cầu bay ở độ cao 80 m để chụp ảnh từ trên không, từ sự việc này mà năm 1858 được coi là năm khai sinh của ngành khoa học viễn thám

- Chiến tranh thế giới thứ nhất (1914 - 1918) đánh dấu giai đoạn khởi đầu của công nghệ chụp ảnh từ máy bay cho mục đích quân sự

- Trong chiến tranh thế giới thứ hai (1939 - 1945) không ảnh đã dùng chủ yếu cho mục đích quân sự Trong thời kỳ này, ngoài việc phát triển công nghệ radar, còn đánh dấu bởi sự phát triển ảnh chụp sử dụng phổ hồng ngoại Các bức ảnh thu được từ nguồn năng lượng nhân tạo là radar, đã được sử dụng rộng rãi trong quân sự

-Bức ảnh đầu tiên, chụp về trái đất từ vũ trụ, được cung cấp từ tàu xplorer -6 vào năm 1959 Tiếp theo là chương trình vũ trụ Mercury (1960), cho ra các sản phẩm ảnh chụp từ quỹ đạo trái đất có chất lượng cao, ảnh màu có kích thước 70mm, được chụp từ một máy tự động Vệ tinh khí tượng đầu tiên (TR0S1), 11

được phóng lên quĩ đạo trái đất vào tháng 4 năm 1960, mở đầu cho việc quan sát và dự báo khí tượng

-Ngày 23-7-1972 Mỹ đã phóng thành công vệ tinh nhân tạo Landsat 1 mang đến khả năng thu nhận thông tin có tính toàn cầu về các hành tinh trong đó có Trái Đất và môi trường xung quanh

-Tiếp theo vệ tinh nghiên cứu trái đất Landsat 1, là các vệ tinh thế hệ mới hơn như Landsat 2, Landsat 3, Landsat 4 và Landsat 5 Ngay từ đầu, RTS-1 mang theo bộ cảm quét đa phổ MSS với bốn kênh phổ khác nhau, và bộ cảm RBV (Return Beam Vidicon) với ba kênh phổ khác nhau

Từ 1982, các ảnh chuyên đề được thực hiện trên các vệ tinh Landsat TM -4

và Landsat TM -5 với 7 kênh phổ từ dải sóng nhìn thấy đến hồng ngoại nhiệt

-Điều này tạo nên một ưu thế mới trong nghiên cứu trái đất từ nhiều dải phổ khác nhau Ngày nay, ảnh vệ tinh chuyên đề từ Landsat -7 đã được phổ biến với giá

rẻ hơn các ảnh vệ tinh Landsat TM -5, cho phép người sử dụng ngày càng có điều kiện để tiếp cận với phương pháp nghiên cứu môi trường qua các dữ liệu vệ tinh

-Dữ liệu ảnh vệ tinh SPOT của Pháp khởi đầu từ năm 1986, trải qua các thế

hệ SPOT 1, SPOT 2, SPOT 3, SPOT 4 và SPOT 5, đã đưa ra sản phẩm ảnh số thuộc hai kiểu phổ, đơn kênh (panchoromatic) với độ phân dải không gian từ 10

x 10m đến 2,5 x 2,5m, và đa kênh SPOT - XS (hai kênh thuộc dải phổ nhìn thấy, một kênh thuộc dải phổ hồng ngoại) với độ phân giải không gian 20 x 20m

-Các ảnh vệ tinh của Nhật, như MOS -1, phục vụ cho quan sát biển (Marine Observation Satellite)

Công nghệ thu ảnh vệ tinh cũng được thực hiện trên các vệ tinh của Ấn Độ

RS 1A, tạo ra các ảnh vệ tinh như LSS thuộc nhiều hệ khác nhau Riêng ở Việt Nam kỹ thuật viễn thám đã được đưa vào sử dụng từ những năm 1976 tại Viện Quy hoạch rừng, mốc quan trọng để đánh dấu sự phát triển của kỹ thuật viễn thám ở Việt Nam là sự hợp tác nhiều bên trong khuôn khổ của chương trình vũ trụ Quốc tế (Inter Kosmos) nhân chuyến bay vũ trụ kết hợp Xô – Việt tháng 7 năm 1980

Tháng 4 năm 2008 Việt Nam đã thuê Pháp phóng thành công vệ tinh VINASAT-1 (mua của Mỹ) lên quỹ đạo địa tĩnh lần đầu tiên

1.5 Các phương pháp xử lý ảnh viễn thám

-Để xử lý ảnh viễn thám người ta sử dụng hai phương pháp là phương pháp giải đoán ảnh bằng mắt thường và phương pháp xử lý số trên máy tính Phương pháp giải đoán ảnh bằng mắt thường: Giải đoán ảnh bằng mắt là

sử dụng mắt người cùng với trí tuệ để tách chiết các thông tin từ tư liệu viễn thám dạng hình ảnh

- Giải đoán bằng mắt (visual interpretaion) là công việc đầu tiên, phổ biến nhất và có thể áp dụng trong mọi điều kiện có trang thiết bị từ đơn giản đến phức tạp Việc phân tích ảnh bằng mắt có thể được trợ giúp bằng một số thiết bị quang học: kính lúp, kính lập thể, kính phóng đại, máy tổng hợp màu, nhằm nâng cao khả năng phân tích của mắt người

- Cơ sở để giải đoán bằng mắt là đưa vào các dấu hiệu giải đoán trực tiếp hoặc gián tiếp và chìa khóa giải đoán Các yếu tố giải đoán (kích thước, hình dạng, bóng, tone, màu, cấu trúc, mẫu và tổ hợp mối quan hệ) cũng như thời gian chụp ảnh, mùa, kiểu phim, tỷ lệ ảnh, sẽ được xem xét kỹ để thiết lập nên chìa khóa giải đoán

- Tư liệu ảnh viễn thám dùng để đoán đọc điều vẽ ảnh bằng mắt tốt nhất là ảnh tổ hợp màu, vì màu sắc là một chuẩn tương đối ổn định, hơn nữa nó có tính trực quan sinh động hơn ảnh đen trắng

- Kết quả của giải đoán ảnh bằng mắt sẽ được chuyển thông tin lên bản đồ nền theo các phương pháp là can vẽ, chiếu quang học, chuyển theo hệ thống lưới,

sử dụng máy đo vẽ ảnh

-Phương pháp xử lý ảnh số: xử lý ảnh số là sự điều khiển và phân tích các thông tin ảnh dạng số với sự trợ giúp của máy tính

-Các dữ liệu ảnh vệ tinh thu được trong ký thuật viễn thám thường dưới dạng

số và được xử lý bởi máy tính để tạo ảnh đã được giải đoán ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau Việc xử lý ảnh số trong viễn thám giữ vai trò quan trọng trong việc tách thông tin hữu ích phục vụ rất nhiều chuyên ngành khác nhau

Nhập dữ liệu13

Khôi phục và hiệu chỉnh ảnh

Biến đổi ảnh Phân loại ảnh Xuất kết quả

Quy trình xử lý ảnh số:

-Nhập dữ liệu: Để xử lý ảnh số, trước hết ta phải tiến hành bước nhập tư liệu gốc vào máy Có hai nguồn tư liệu chính đó là ảnh tương tự do các máy chụp cung cấp và ảnh số do các máy quét cung cấp

Trong trường hợp ảnh tương tự sẽ được chuyển về dạng số thông qua các máy quét Trường hợp tư liệu là ảnh số thì nó sẽ được chuyển từ các băng từ lưu trữ mật độ cao

- Khôi phục và hiệu chỉnh ảnh: Đây là giai đoạn mà các tín hiệu số được hiệu chỉnh hệ thống, bức xạ hoặc hình học nhằm tạo ra một tư liệu ảnh có thể sử dụng được Giai đoạn này thường được thực hiện trên các máy tính lớn tại các trung tâm thu số liệu vệ tinh

- Biến đổi ảnh: Các quá trình xử lý như tăng cường chất lượng ảnh, biến đổi tuyến tính là giai đoạn tiếp theo Giai đoạn này có thể thực hiện trên các máy tính trong khuôn khổ một phòng thí nghiệm, hay phòng công tác nội nghiệp

- Phân loại: Phân loại đa phổ với mục đích tách các thông tin cần thiết phục

vụ việc theo dõi các đối tượng hay lập bản đồ chuyên đề là khâu then chốt của việc khai thác tư liệu viễn thám

- Xuất kết quả: Sau khi hoàn tất các khâu xử lý cần phải xuất kết quả Kết quả có thể dưới dạng phim ảnh, số hay các bản đồ đường nét Trong đó kết quả dạng số ngày càng được khai thác sử dụng nhiều vì nó là đầu vào rất tốt cho một công nghệ mới là GIS - hệ thống thông tin địa lý Trên cơ sở ứng dụng hệ thống thông tin địa lý nhiều chủng loại thông tin khác nhau cùng được đưa vào xử lý tạo ra một kết quả chính xác và phong phú hơn nhiều so với trường hợp chỉ sử dụng tư liệu viễn thám

2 Tổng quan về GIS

2.1 Khái niệm về GIS

2.1.1 Khái niệm về GIS

- GIS, viết tắt của cụm từ tiếng Anh: Geographic Information Systems, ngày

nay được biết đến nhiều trên thế giới như là một hệ thống thông tin địa lý

(HTTTĐL) có nhiệm vụ thu thập, lưu trữ, phân tích và hiển thị các dữ liệu địa lý 15

GIS đang ngày càng "lấn lướt" nhiều công nghệ khác trong việc hỗ trợ ra quyết định liên quan đến đất đai, môi trường, tài nguyên thiên nhiên, cơ sở hạ tầng, và kinh tế

- 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 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 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)

2.2 Các thành phần của hệ thống thông tin địa lý (GIS)

Công nghệ GIS bao gồm 5 hợp phần cơ bản là:

- Thiết bị (hardware)

- Phần mềm (software)

- Số liệu (Geographic data)

- Chuyên viên (Expertise)

- Chính sách và phương pháp quản lý (Policy and methodology)

hhhhh

Một cách chi tiết có thể giải thích bao gồm các hợp phần như sau:

2.2.1 Thiết bị (hard ware)

Thiết bị bao gồm máy vi tính (computer), máy vẽ (plotters), máy in (printer), bàn số hoá (digitizer), thiết bị quét ảnh (scanners), các phương tiện lưu trữ số liệu (Floppy diskettes, CD ROM v.v )

17

Hình 1 Các hợp phần thiết yếu cho công nghệ GIS

• 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, sắp đặt phần cứng khác mà nó thì cần thiết cho việc quản lý thông tin theo sau thông qua hệ thống Mặc dù bộ vi xử lý hiện đại rất nhỏ chỉ khoảng 5mm2-

nó có khả năng thực hiện hàng ngàn, hoặc ngay cả hàng triệu thông tin trong một giây

• Bộ s ắ p x ếp v à lưu t r ữ ngoài (dis k ette, harddisk, CD-ROM)

Băng có từ tính được giữ không những trong cuộn băng lớn (giống trong cuộn băng máy hát đĩa) mà còn trong cuộn băng nhỏ (giống như cuốn băng được dùng trong máy hát nhạc) Thuận lợi của dây băng có từ tính là nó có thể lưu trữ một số lượng lớn dữ liệu Sự gia tăng khả năng lưu trữ thực hiện bằng các đĩa có từ tính Các đĩa cứng với khả năng lưu trữ rất lớn (Khoảng 600-700Mb) Đĩa cứng thông thường được sử dụng cho lưu trữ dữ liệu

• Các b ộ p hậ n dùn g đ ể n hậ p d ữ liệu (INPUT DEVICES)

 Digitizer

Bàn số hoá bản đồ bao gồm 1 bàn hoặc bàn viết, mà bản đồ được trải rộng

ra và 1 cursor có ý nghĩa của các đường thẳng và các điểm trên bản đồ được định

vị Trong toàn bộ bàn số hoá (digitizer) việc tổ chức được ghi bởi phương pháp của một cột lưới tốt đã gán vào trong bàn Dây tóc của cursor phát ra do sự đẩy của từ tính điện mà nó được 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

Hình 1 Các thành phần thiết bị cơ bản của GIS

cho việc chuyển các tín hiệu đặc biệt cho việc điều khiển chương trình, ví dụ để chỉ ra điểm cuối của đường thẳng Các bàn số hoá (digitizer) hiện nay có kích thước thay đổi từ bàn nhỏ là 27cm x 27cm đến bàn lớn từ 1m x 1.5m.

 Scanner

Máy ghi scanner sẽ chuyển các thông tin trên bản đồ tương xứng 1 cách tự động dưới dạng hệ thống raster Một cách luân phiên nhau, bản đồ có thể được trải rộng ra trên bàn mà đầu scanning di chuyển trong 1 loạt đường thẳng song song nhau Các đường quét (scan) phải được vector hoá trước khi chúng được đưa vào hệ thống cơ sở dữ liệu vector

Hình 1- Máy quét (Scanner) (Nguồn : Weir 1988)

khác nhau tuỳ theo yêu cầu của người sử dụng, thông thường máy in có khổ từ A3 đến A4 Máy in có thể là máy màu hoặc trắng đen, hoặc là máy in phun mực, Laser, hoặc máy in kim.

 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 Plotter (máy vẽ) Máy vẽ thường có kích thước của khổ A1 hoặc A0

2.2.2 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 hệ thống thông tin địa lý 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:

- Nh ậ p và k i ểm tra d ữ liệu (Importing and checking data): Bao gồm tất cả

Hình 1- Máy in (printer)

Hình 1 Máy vẽ (plotter)

các khía cạnh về biến đổi dữ liệu đã ở dạng bản đồ, trong lĩnh vực quan sát vào một dạng số tương thích Đây là giai đoạn rất quan trọng cho việc xây dựng cơ sở

dữ liệu địa lý

- Lưu t r ữ và q uả n lý c ơ sở d ữ liệu (Storing and management database): Lưu

trữ và quản lý cơ sở dữ liệu đề cập đến phương pháp kết nối thông tin vị trí (topology) và thông tin thuộc tính (attributes) của các đối tượng địa lý (điểm, đường, vùng) đại diện cho các đối tượng trên bề mặt đất) Hai thông tin này được

tổ chức và liên hệ qua các thao tác trên máy tính và sao cho chúng có thể lĩnh hội được bởi người sử dụng hệ thống

- X u ấ t d ữ l iệu (Data exporting): 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 (MAP), bảng biểu (TABLE), biểu đồ, lưu đồ (FIGURE) được thể hiện trên máy tính, máy in, máy vẽ

- Biến đổi d ữ 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 n g ười 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 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 trong khu vực Châu Á là ARC/INFO, MAPINFO, ILWIS, WINGIS, SPANS, IDRISIW, Hiện nay, có rất nhiều phần mềm máy tính chuyên biệt cho GIS, 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

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

Tuỳ theo yêu cầu và khả năng ứng dụng trong công việc cũng như khả năng kinh phí của đơn vị, việc lựa chọn một phần mềm máy tính sẽ khác nhau.21

2.2.3 Chuyên viên (Expertise)

Đây là một trong những hợp phần quan trọng của công nghệ GIS, đòi hỏi những chuyên viên hướng dẫn sử dụng hệ thống để thực hiện các chức năng phân tích và xử lý các số liệu Đòi hỏi phải thông thạo về việc lựa chọn các công cụ GIS để sử dụng, có kiến thức về các số liệu đang được sử dụng và thông hiểu các tiến trình đang và sẽ thực hiện

2.2.4 Số liệu, dữ liệu địa lý (Geographic data)

Số liệu được sử dụng trong GIS không chỉ là số liệu địa lý referenced data) riêng lẽ mà còn phải được thiết kế trong một cơ sở dữ liệu (database) Những thông tin địa lý có nghĩa là sẽ bao gồm các dữ kiện về vị trí địa lý, thuộc tính (attributes) của thông tin, mối liên hệ không gian (spatial relationships) của các thông tin, và thời gian Có 2 dạng số liệu được sử dụng trong kỹ thuật GIS là:

(geo Cơ sở d ữ liệu không gian : Là những mô tả hình ảnh bản đồ hoặc ảnh vệ

tinh được số hoá theo một khuôn dạng nhất định mà máy tính hiểu được Hệ thống thông tin địa lý 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 và diện tích, mỗi dạng có

liên quan đến 1 số liệu thuộc tính được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu

 Số liệu Raster: Được trình bày dưới dạng lưới ô vuông hay ô chữ nhật đều nhau,

giá trị được ấn định cho mỗi ô sẽ chỉ định giá trị của thuộc tính Số liệu của ảnh Vệ tinh và số liệu bản đồ được quét (scanned map) là các loại số liệu Raster

- Dữ liệu phi không gian (dữ liệu thuộc tình - Attribute): Được trình bày

dưới dạng các ký tự, số, hoặc ký hiệu để mô tả thuộc tính của các thông tin thuộc

về địa lý

Trong các dạng số liệu trên, số liệu Vector là dạng thường sử dụng nhất Tuy nhiên, số liệu Raster rất hữu ích để mô tả các dãy số liệu có tính liên tục như: Nhiệt độ, cao độ Và thực hiện các phân tích không gian (Spatial analyses) của số liệu Còn số liệu thuộc tính được dùng để mô tả cơ sở dữ liệu

2.2.5 Chính sách và phương pháp (Policy and methodology)

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 phải 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 1 khung tổ chức phù hợp và có những hướng dẫn cần thiết để quản lý, thu thập, lưu 23

trữ và phân tích số liệu, đồng thời có khả năng phát triển được hệ thống GIS theo nhu cầu Hệ thống GIS cần được điều hành bởi 1 bộ phận quản lý, bộ phận này phải 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 gia tăng hiệu quả sử dụng của GIS cũng như các nguồn số liệu hiện có

Như vậy, trong 5 hợp phần của GIS, hợp phần chính sách và phương pháp đóng vai trò rất quan trọng để đảm bảo khả năng hoạt động của hệ thống, đây là yếu tố quyết định sự thành công của việc phát triển công nghệ GIS

Trong phối hợp và vận hành các hợp phần của hệ thống GIS nhằm đưa vào hoạt động có hiệu quả kỹ thuật GIS, 2 yếu tố huấn luyện và chính sách- phương pháp là cơ sở của thành công Việc huấn luyện các phương pháp sử dụng hệ thống GIS sẽ cho phép kết hợp các hợp phần: Thiết bị, Phần mềm, Chuyên viên và số liệu với nhau để đưa vào vận hành Tuy nhiên, yếu tố chính sách và phương pháp

sẽ có tác động đến toàn bộ các hợp phần nói trên, đồng thời quyết định đến sự thành công của hoạt động GIS

2.3 Cơ sở dữ liệu trong GIS

Một cơ sở dữ liệu của hệ thống thông tin địa lý có thể chia ra làm 2 loại số liệu cơ bản: Cơ sở dữ liệu không gian và cơ sở dữ liệu phi không gian Mỗi loại

có những đặc điểm riêng và chúng khác nhau về yêu cầu lưu giữ số liệu, hiệu quả,

xử lý và hiển thị

Cơ sở dữ liệu không gian là những mô tả số của hình ảnh bản đồ, chúng bao gồm tọa độ, quy luật và các ký hiệu dùng để xác định một hình ảnh 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

Cơ sở dữ liệu phi không gian 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 dữ 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.

2.3.1 Mô hình thông tin không gian

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

2.3.1.1 Hệ thống vector

• Kiểu đối tượng điểm (Points)

Các đối tượng kiểu điểm có các đặc điểm:

• Là tọa độ đơn (x,y)

• Không cần thể hiện chiều dài và diện tích

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 Vì vậy, các đối tượng điểm và vùng có thể được dùn0g phản ánh lẫn nhau

25 Hình 1-7 Số liệu vector được biểu thị dưới dạng điểm

• Kiểu đối tượng đường (Arcs)

Đường được xác định như một tập hợp dãy của các điểm Mô tả các đối tượng địa lý dạng tuyến, có các đặc điểm sau:

• Là một dãy các cặp tọa độ

• Một arc bắt đầu và kết thúc bởi node

• Các arc nối với nhau và cắt nhau tại node

• Hình dạng của arc được định nghĩa bởi các điểm vertices

• Độ dài chính xác bằng các cặp tọa độ

• Kiểu

đối tượng vùng (Polygons)

Vùng được xác định bởi ranh giới các đường thẳng Các đối tượng địa lý

có diện tích và đóng kín bởi một đường được gọi là đối tượng vùng polygons, có các đặc điểm sau:

• Polygons được mô tả bằng tập các đường (arcs) và điểm nhãn (label points)

• Một hoặc nhiều arc định nghĩa đường bao của vùng

• Một điểm nhãn label points nằm trong vùng để mô tả, xác định cho mỗi một vùng

Hình 18 Số liệu vector được biểu thị dưới dạng Arc

Mô hình dữ liệu dạng raster phản ánh toàn bộ vùng nghiên cứu dưới dạng một lưới các ô vuông hay điểm ảnh (pixcel) Mô hình raster có các đặc điểm:

được xếp liên tiếp từ trái qua phải và từ trên xuống dưới

 Mỗi một điểm ảnh (pixcel) chứa một giá trị

 Một tập các ma trận điểm và các giá trị tương ứng tạo thành một lớp (layer)

 Trong cơ sở dữ liệu có thể có nhiều lớp

Mô hình dữ liệu raster là mô hình dữ liệu GIS được dùng tương đối phổ biến trong các bài toán về môi trường, quản lý tài nguyên thiên nhiên

Mô hình dữ liệu raster chủ yếu dùng để phản ánh các đối tượng dạng vùng

và ứng dụng cho các bài toán tiến hành trên các loại đối tượng dạng vùng: Phân loại, chồng xếp…

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

- Ảnh máy bay, ảnh viễn thám

27

Hình 1-9 Số liệu vector được biểu thị dưới dạng vùng (Polygon)

Hình 110 Một số khái niệm trong cấu trúc cơ sở dữ liệu bản đồ

- 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 vuông, được sắp xếp trong một mảng hoặc các dãy hàng và cột Nếu có thể, các hàng cột nên được căn cứ vào hệ thống lưới bản đồ 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 đòi hỏi mức độ chi tiết và độ chính xác cao

2.3.1.3 Chuyển đổi dữ liệu dạng vector và raster

Việc chọn cấu trúc dữ liệu dưới dạng vector hoặc raster tuỳ thuộc vào yêu cầu của người 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 bình độ (contours) sẽ chính xác hơn hệ thống raster Ngoài ra cũng tuỳ vào phần mềm máy tính đang sử dụng mà nó cho phép nên lưu trữ dữ liệu dưới dạng vector hay 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 Raster hoá là tiến trình chia đường hay vùng thành các ô vuông (pixcel) Ngược lại, vector hoá là tập hợp các pixcel để tạo thành đường hay vùng Nếu dữ liệu raster không có cấu

Hình 1-11 Sự biểu thị kết quả bản đồ dưới dạng Raster

trúc tốt, thí dụ: ảnh vệ tinh, thì việc nhận dạng đối tượng sẽ rất phức tạp.

Nhiệm vụ biến đổi vector sang raster là tìm tập hợp các pixel trong không gian raster trùng khớp với vị trí của điểm, đường, đường cong hay đa giác trong biểu diễn vector 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 tọa độ nguyên Trong mô hình vector, độ chính xác của điểm cuối vector được giới hạn bởi mật độ hệ thống tọa độ bản đồ còn vị trí khác của đoạn thẳng được xác định bởi hàm toán học

Sự chuyển đổi dữ liệu Raster sang Vector

Sự chuyển đổi dữ liệu Vector sang Raster

2.3.2 Mô hình thuộc tính không gian

Cơ sở dữ liệu phi không gian hay còn gọi là thuộc tính là những mô tả về đặc tính, đặc điểm và các hiện tượng xảy ra tại các vị trí địa lý xác định 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 Thông thường hệ thống thông tin địa lý có 4 loại số liệu thuộc tính:

- Đặc tính của đối tượng: Liên kết chặt chẽ với các thông tin không gian có thể thực hiện truy vấn, hỏi đáp dữ liệu và phân tích

- Số liệu hiện tượng, tham khảo địa lý: miêu tả những thông tin, các hoạt động thuộc vị trí xác định

29

Hình 1-12 Sự chuyển đổi dữ liệu

- Chỉ số địa lý: tên, địa chỉ, khối, phương hướng định vị, liên quan đến các đối tượng địa lý.

- Quan hệ giữa các đối tượng trong không gian, có thể đơn giản hoặc phức tạp (sự liên kết, khoảng tương thích, mối quan hệ đồ hình giữa các đối tượng) Để

mô tả một cách đầy đủ các đối tượng địa lý, trong bản đồ số chỉ dùng thêm các loại đối tượng khác: Điểm điều khiển, tọa độ giới hạn và các thông tin mang tính chất mô tả (annotation)

Annotation: Các thông tin mô tả có các đặc điểm:

• Có thể có các kích thước, màu sắc, các kiểu chữ khác nhau

• Nhiều mức của thông tin mô tả có thể được tạo ra với ứng dụng khác nhau

• Có thể tạo thông tin cơ sở dữ liệu lưu trữ thuộc tính

• Có thể tạo độc lập với các đối tượng địa lý có trong bản đồ

• Không có liên kết với các đối tượng điểm, đường, vùng và dữ liệu thuộc tính của chúng

Bản chất một số thông tin dữ liệu thuộc tính như sau:

- Số liệu tham khảo địa lý: Mô tả các sự kiện hoặc hiện tượng xảy ra tại một vị trí xác định Không giống các thông tin thuộc tính khác, chúng không mô

tả về bản thân các hình ảnh bản đồ Thay vào đó chúng mô tả các danh mục hoặc các hoạt động như cho phép xây dựng, báo cáo tai nạn, nghiên cứu y tế, liên quan đến các vị trí địa lý xác định Các thông tin tham khảo địa lý đặc trưng được lưu trữ

và quản lý trong các file độc lập và hệ thống không thể trực tiếp tổng hợp chúng với các hình ảnh bản đồ trong cơ sở dữ liệu của hệ thống Tuy nhiên, các bản ghi này chứa các yếu tố xác định vị trí của sự kiện hay hiện tượng

- Chỉ số địa lý: được lưu trong hệ thống thông tin địa lý để chọn, liên kết và tra cứu số liệu trên cơ sở vị trí địa lý mà chúng đã được mô tả bằng các chỉ số địa

lý xác định Một chỉ số có thể bao gồm nhiều bộ xác định cho các thực thể địa lý

sử dụng từ các cơ quan khác nhau như là lập danh sách các mã địa lý mà chúng

xác định mối quan hệ không gian giữa các vị trí hoặc giữa các hình ảnh hay thực thể địa lý Ví dụ: chỉ số địa lý về đường phố và địa chỉ địa lý liên quan đến phố đó.

- Mối quan hệ không gian: của các thực thể tại vị trí địa lý cụ thể rất quan trọng cho các chức năng xử lý của hệ thống thông tin địa lý Các mối quan hệ không gian có thể là mối quan hệ đơn giản hay lôgic, ví dụ, tiếp theo số nhà 101 phải là số nhà 103 nếu là số nhà bên lẻ hoặc nếu là bên chẵn thì cả hai đều phải

là các số chẵn kề nhau Quan hệ Topology cũng là một quan hệ không gian Các quan hệ không gian có thể được mã hoá như các thông tin thuộc tính hoặc ứng dụng thông qua giá trị tọa độ của các thực thể

- 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 tọa 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 tọa 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:

Cơ sở dữ liệu bên MapInfo được tổ chức dưới dạng các bảng Các bảng này bao gồm các hàng và cột Mỗi hàng chứa thông tin về một đối tượng địa lý cụ thể Mỗi cột lại chứa thông tin về một loại chủ đề cụ thể nào đó của một tab MapInfo thể hiện các đối tượng địa lý dưới dạng các đối tượng hình học Mỗi một table lại có bốn file với phần mở rộng sau:

- * dat : File chứa thông tin ban đầu

- * map: File chứa thông tin mô tả các đối tượng bản đồ

- * id : File chứa thông tin liên kết các đối tượng với nhau

- * ind : File về chỉ số đối tượng

2.3.3.2 Dạng Vector

Trong mô hình dữ liệu vector, thì mỗi điểm được xác định bởi một cặp tọa

độ (X, Y) Các đoạn thẳng được xác định bởi một chuỗi các cặp tọa độ (X, Y) Các vùng cũng được xác định bởi một chuỗi các cặp tọa độ (X, Y) của các đoạn thẳng khép kín Các vùng có chu vi, các đoạn thẳng có chiều dài

2.3.3.3 Dạng Raster

Trong mô hình dữ liệu raster, bề mặt trái đất coi như một bề mặt liên tục, mỗi khu vực được coi như một bề mặt liên tục và là một cell, các giá trị của cell được sử dụng để mô tả các hiện tượng địa lý, và giá trị của các cell này được tổ chức thành một ma trận Nếu giá trị của cell là các số thì nó có thể mô tả các dữ liệu rời rạc như phân loại sử dụng đất hoặc các dữ liệu liên tục như các giá trị độ cao

2.3.3.4 Dạng Shapefile

Shapefile là một khuôn dạng lưu trữ dữ liệu vector, được dùng để lưu trữ vị trí, hình dạng và các giá trị thuộc tính của các đối tượng địa lý Mỗi một shapefile chứa bốn file có phần mở rộng như sau:

- *.shp : Lưu trữ đối tượng hình học

- *.shx : Lưu chỉ số của đối tượng hình học

- *.dbf : Lưu các thông tin thuộc tính của các đối tượng

- sbn (.sbx) : Lưu chỉ số không gian của các đối tượng

2.3.3.5 Dạng Coverage

Coverage kết hợp dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc tính cùng các quan hệ topology trong đối tượng Dữ liệu không gian được lưu ở các file nhị phân Dữ liệu thuộc tính được lưu ở các INFO table Một coverage bao gồm một tập các file, mỗi file trong đó lại lưu thông tin về các đối tượng.

2.3.3.6 Dạng Geodatabase

Geodatabase là mô hình thông tin địa lý cốt lõi để tổ chức dữ liệu GIS vào trong các lớp chủ đề và trình diễn dữ liệu không gian Là một tập các ứng dụng và các công cụ để thao tác và quản lý dữ liệu GIS

3.Tổng quan về ứng dụng viễn thám và GIS để thành lập bản đồ lớp phủ mặt đất huyện Hoài Đức năm 2015

-Cơ sở tư liệu viễn thám là phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên, có thể phân tích và thể hiện, đặc biệt có thể chia tách các vùng của các đối tượng trong lớp phủ mặt đất với các diện tích vùng riêng biệt Dựa trên đặc trưng phản xạ phổ của các lớp đối tượng, bằng các mô hình, phần mềm chuyên dụng, tư liệu viễn thám được xử lý để xác định và chia tách với từng đối tượng Tư liệu viễn thám đa thời gian cho phép xác định nhanh hiện trạng lớp phủ mặt đất trong các khoảng thời gian giữa các thời điểm thu ảnh Các thông tin về các đối tượng lớp phủ sau khi chiết tách, có thể tạo ra các bản đồ hiện trạng và tính toán cụ thể diện tích tại từng thời điểm cũng như tổng hợp phân tích kết quả về phân bố và biến động

-Ứng dụng viễn thám trong theo dõi biến động đô thị thực chất là nghiên cứu biến động lớp phủ mặt đất của đô thị, tập trung vào các đối tượng chính như: đất nông nghiệp, đất ở, đất bằng chưa sử dụng, mặt nước,… để từ đó đưa ra xu thế biến động của đô thị về mặt không gian

- Từ tư liệu ảnh vệ tinh có độ phân giải cao, tiến hành xử lý, giải đoán, phân loại, chiết tách các thông tin, thành lập bản đồ lớp phủ mặt đất tại các thời điểm

-Sau đó sử dụng công nghệ GIS để tính toán diện tích bề mặt lớp phủ, thành lập bản đồ hiện trạng

-Công nghệ viễn thám kết hợp với GIS cho hiệu quả cao và khách quan trong đánh giá và dự báo biến đổi lớp phủ mặt đất Không chỉ thế công nghệ viễn thám 33

kết hợp với GIS rất hữu hiệu trong việc xác định diện tích hiện trạng của các đối tượng lớp phủ, hình thái, mức độ của từng đối tượng Bên cạnh đó, việc sử dụng ảnh viễn thám độ phân giải cao hoàn toàn đáp ứng được yêu cầu về độ chính xác hình học cũng như cung cấp đủ lượng thông tin để xây dựng bản đồ hiện trạng lớp phủ mặt đất đến cấp huyện.

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG BẢN ĐỒ HIỆN TRẠNG LỚP

PHỦ ỨNG DỤNG VIỄN THÁM VÀ GIS

2.1 Tư liệu và tài liệu sử dụng:

-ảnh vệ tinh Landsat 8 khai thác miễn phí từ mạng Internet qua địa chỉ http://earthexplorer.usgs.gov/

Hoài Đức Phân loại -Lựa chọn tham số -Lựa chọn đối tượng mẫu Sản phẩm phân loại

Bản đồ lớp phủ khu vực Hoài Đức

Phần mềm xử lí ảnh viễn thám Envi 4.7

Sử dụng hệ tọa độ

Chuyển dữ liệu

Sử dụng các lớp thông tin nền

35

2.3 Download ảnh vệ tinh

2.3.1 Địa chỉ và giao diện download ảnh vệ tinh.

- Địa chỉ để download ảnh vệ tinh thì chúng ta truy cập vào trang web:

Sau đó sang phần Additional Criteria : t chọn các thông tin thuộc tính ở đây

t chọn thuộc tính Cloud Cover <10%

Hình 2-3 Phần Datasets tải ảnh

Cuối cùng sang phần Result

chọn bức ảnh thích hợp với khu vực cần tìm và tiến hành Down option

Hình 2-4 Chọn ảnh download

Xuất hiện bảng lựa chọn loại ảnh cần tải Ở đây ta chọn loại ảnh Level 1 GeoTIFF để lấy dạng Tiff.