Đề xuất phương pháp cập nhật cơ sở dữ liệu gis quân sự tỷ lệ lớn dựa trên ảnh chụp bằng máy bay khôn người lái (uav) hỗ trợ tham mưu, chỉ huy tác chiến

Tuy nhiên rất nhiều hệ thống trong số đó đã không tồn tại được bao lâu do khâu thiết kế cồng kềnh và giá thành quá cao; Các nhà nghiên cứu ở giai đoạn này đã đưa ra những lý luận nhận đị

Tóm tắt luận văn Tóm tắt luận văn

Những đột phá lớn trong công nghệ thông tin, viễn thông và thông tin đang đóng vai

BÙI THỊ HỒNG HẠNH

ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP CẬP NHẬT CƠ SỞ

DỮ LIỆU GIS QUÂN SỰ TỶ LỆ LỚN DỰA TRÊN ẢNH CHỤP BẰNG MÁY BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI (UAV) HỖ TRỢ THAM MƯU, CHỈ HUY TÁC CHIẾN

Ngành: Bản đồ viễn thám và hệ thông tin địa lý

Mã số : 60440214

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS Vũ Huấn

HÀ NỘI - 2015

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu được sử dụng và kết quả phân tích, trình bày trong luận án là trung thực, chưa từng được công bố trong bất cứ công trình nào trước đây

Tác giả luận án

Bùi Thị Hồng Hạnh

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 8

1 Tính cấp thiết của đề tài 8

2 Mục đích nghiên cứu 9

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 9

4 Nội dung nghiên cứu 10

5 Phương pháp nghiên cứu 10

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận văn 11

7 Lời cảm ơn 11

Chương 1 12

TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH 12

NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ 12

1.1 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng TTĐL trên thế giới 12

1.2 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng TTĐL tại Việt Nam 14

1.3 Sự cần thiết Nghiên cứu khả năng thu thập dữ liệu GIS từ ảnh chụp bằng máy bay không người lái (UAV) và đề xuất phương pháp cập nhật CSDL GIS quân sự tỷ lệ lớn dựa trên ảnh UAV hỗ trợ tham mưu chỉ huy tác chiến 15

Chương 2 16

CƠ SỞ KHOA HỌC ĐỂ NGHIÊN CỨU, 16

CẬP NHẬT CƠ SỞ DỮ LIỆU GIS QUÂN SỰ TỶ LỆ LỚN 16

2.1 Hệ thống thông tin 16

2.1.1 Khái niệm 16

2.1.2 Các đặc trưng của hệ thống thông tin trong tổ chức hoạt động 16

2.2 Hệ thống thông tin địa lý 18

2.2.1 Định nghĩa 18

2.2.2 Cấu trúc của HTTĐL 18

2.2.3 Người điều hành 18

2.2.4 Phần cứng (máy tính và thiết bị ngoại vi) 19

2.2.5 Phần mềm 19

2.2.6 Dữ liệu 19

2.2.6.1 Cơ sở dữ liệu nền 19

2.2.6.2 CSDL chuyên ngành 21

2.2.6.3 Cơ sở dữ liệu không gian 21

2.2.6.4 Cơ sở dữ liệu thuộc tính 22

2.2.7 Các mô hình cấu trúc CSDL 22

2.2.7.1 Khái quát chung 22

2.2.7.2 Cấu trúc dữ liệu Raster 23

2.2.7.3 Cấu trúc dữ liệu dạng Vector 26

2.2.7.4 Mô hình cấu trúc dữ liệu cung và điểm nút (area-node) 28

2.2.7.5 Mô hình mạng (network model) 32

2.2.7.6 Chuyển đổi khuôn dạng dữ liệu 33

2.3 Hệ thống máy bay chụp ảnh không người lái TRIMBLE UX5 34

2.3.1 Giới thiệu chung 34

2.3.2 Các thành phần chính của Hệ thống TRIMBLE UX5 bao gồm: 35

2.3.2.1 Máy bay TRIMBLE UX5 35

2.3.2.2 Camera 35

2.3.2.3 Trạm điều khiển mặt đất 35

2.3.2.4 Bệ phóng 35

2.3.2.5 Tracker/Bộ phận phát và nhận tín hiệu dò tìm khi máy bay hạ cánh không đúng vị trí thiết kế: 36

Chương 3 37

CẬP NHẬT CƠ SỞ DỮ LIỆU GIS QUÂN SỰ TỶ LỆ LỚN 37

DỰA TRÊN ẢNH CHỤP BẰNG MÁY BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI (UAV) 37

3.1 Giới thiệu một số loại hình công nghệ 37

3.1.1 Công nghệ ảnh số 37

3.1.1.1 Chuẩn bị cho nhiệm vụ bay và chuyến bay: 39

3.1.1.2 Thiết kế bay chụp ảnh 40

3.1.1.3 Thiết kế mốc khống chế ảnh: 44

3.1.1.4 Thiết kế khống chế ảnh theo khối bay: 45

3.1.1.5 Thiết kế khu bay gồm nhiều hơn một khối bay: 46

3.1.1.6 Thực hiện chuyến bay ở thực địa 46

3.1.1.7 Phân tích và xuất dữ liệu bay chụp ảnh: 47

3.1.1.8 Xử lý số liệu nội nghiệp bằng phần mềm TBC 48

3.1.2 Công nghệ xây dựng cơ sở dữ liệu địa lý 52

3.2 Lựa chọn giải pháp công nghệ 54

3.2.1 Một số khái niệm 54

3.2.1.1 Đối tượng nội dung bản đồ 54

3.2.1.2 Đối tượng địa lý (Feature) 54

3.2.1.3 Cơ sở dữ liệu địa lý (CSDL ĐL) 55

3.2.1.4 Cơ sở dữ liệu nền thông tin địa lý 55

3.2.1.5 Mô hình số độ cao (Digital Elevation Model, viết tắt là DEM) 55

3.2.1.6 Mô hình số địa hình (Digital Terrain Model, viết tắt là DTM) 55

3.2.1.7 Chuẩn thông tin địa lý cơ sở quốc gia 55

3.2.1.8 Siêu dữ liệu (Metadata) 55

3.2.1.9 Thuộc tính của đối tượng địa lý (Feature attribute) 56

3.2.1.10 Danh mục đối tượng địa lý (Feature catalogue) 56

3.2.1.11 Quan hệ đối tượng địa lý (Feature association) 56

3.2.1.12 Hệ quy chiếu tọa độ (Coordinate reference system) 56

3.2.2 Các công nghệ chính được áp dụng 56

3.2.3 Nguyên tắc chung xây dựng cơ sở dữ liệu nền thông tin địa lý 56

3.2.3.1 Thành lập cơ sở dữ liệu nền thông tin địa lý: 57

3.2.3.2 Biên tập bản đồ địa hình: 58

Chương 4 59

THỰC NGHIỆM THU THẬP DỮ LIỆU GIS 59

BẰNG MÁY BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI UAV VÀ CẬP NHẬT CSDL NỀN ĐỊA LÝ QUÂN SỰ TỶ LỆ 1:2.000 TRÊN ĐỊA BÀN QUÂN KHU 2 59

4.1 Khái quát đặc điểm tình hình khu đo 59

4.1.1 Vị trí địa lý, phạm vi khu vực thi công 59

4.1.2 Đặc điểm địa lý tự nhiên 59

4.1.2.1 Đặc điểm địa hình 59

4.1.2.2 Đặc điểm địa vật 59

4.1.2.3 Khí hậu, thủy văn 59

4.1.2.4 Hệ thống đường bộ và đường thủy 59

4.1.3 Đặc điểm dân cư, kinh tế, xã hội 60

4.2 Hiện trạng thông tin tư liệu 60

4.2.1 Các điểm tọa độ, độ cao nhà nước: 60

4.2.2 Tư liệu ảnh 60

4.2.3 Hiện trạng tư liệu bản đồ, CSDL 60

4.3 Kết quả cập nhật CSDL nền địa lý quân sự tỷ lệ 1/2000 từ ảnh hàng không UAV61 4.3.1 Công tác chuẩn bị: 61

4.3.1.1 Trang thiết bị: 61

4.3.1.2 Khảo sát, lựa chọn vị trí hạ cất cánh: 61

4.3.1.3 Thiết kế, chọn điểm KCA 61

4.3.1.4 Rải tiêu đo 62

4.3.1.5 Đo nối lưới khống chế ảnh bằng GPS 62

4.3.1 Bay chụp ảnh bằng máy bay không người lái UX5 63

4.3.3 Tăng dày khống chế ảnh, tạo DSM, DEM, bình đồ ảnh bằng phần mềm chuyên dụng Trimble Business Center 64

4.3.5 Đo vẽ cập nhật đối tượng địa lý trên máy PC 66

4.3.6 Điều tra ngoại nghiệp thông tin thuộc tính đối tượng địa lý 68

4.3.6.1 Mục đích, yêu cầu, nội dung công việc 68

4.3.6.2 Điều tra TTĐL 68

4.3.7 Biên tập dữ liệu địa lý gốc 73

4.3.8 Xây dựng CSDL nền địa lý tỷ lệ 1/2000 73

4.3.8.1 Kiểm tra bản đồ gốc số 74

4.3.8.2 Tách lọc dữ liệu 75

4.3.8.3 Chuẩn hóa dữ liệu không gian 76

4.3.8.4 Kiểm tra, tiếp biên dữ liệu không gian 80

4.3.8.5 Nhập dữ liệu thuộc tính 80

4.3.8.6 Kiểm tra, tiếp biên dữ liệu thuộc tính 84

4.3.8.7 Tích hợp vào CSDL địa lý theo mảnh bản đồ 85

4.3.8.8 Tích hợp mô hình số độ cao vào CSDL 85

4.3.8.9 Tích hợp bình đồ ảnh vào CSDL 85

4.3.8.10 Tạo siêu dữ liệu 85

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 88

TÀI LIỆU THAM KHẢO 89

PHỤ LỤC 90

Phụ lục 1: Bản thiết kế lược đồ ứng dụng UML dữ liệu địa lý đất quốc phòng 90

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT TIẾNG VIỆT VÀ TIẾNG ANH

Tiếng Việt

CNTT Công nghệ thông tin

TTĐL Thông tin địa lý

Tiếng Anh

DGN Định dạng tệp đồ họa của phần mềm MicroStation

GIS Geographic Information System: Hệ thống TTĐL

GPS Global Positioning System: Hệ thống định vị toàn cầu

PC Personal Computer: Máy tính cá nhân

Topology Thuật ngữ được sử dụng để chỉ mối quan hệ không gian giữa

các đối tượng địa lý

UML Unified Modeling Language: Ngôn ngữ mô hình hóa thống

nhất dùng để thiết kế

Danh mục các bảng

Bảng 2.2 Bảng thống kê thuộc tính của cung AAT 30

Bảng 3.1 Bảng thiết lập độ phân giải mặt đất 41

Bảng 3.2 Bảng thiết lập kích thước tiêu mốc 45

Danh mục các hình vẽ Hình 2.1 Mô hình phân cấp hệ thống thông tin 17

Hình 2.2 Mô hình tổ chức của HTTĐL 18

Hình 2.3 Mô hình tổ chức của HTTĐL 22

Hình 2.4 Một đường có thể tổ chức trong cấu trúc Vector (A) và Raster (B) 24

Hình 2.5 Mô phỏng cách thể hiện các khoanh vi theo cấu trúc Raster 26

Hình 2.6 Cấu trúc dữ liệu vecter 27

Hình 2.7 So sánh giữa cấu trúc Raster và Vector 28

Hình 2.8 Cấu trúc một polygon đơn giản trong mô hình cung và điểm nối 29

Hình 2.9 chuyển đổi Raster và véctơ 34

Hình 2.10: Hệ thống TRIMBLE UX5 35

Hình 3.1: Hình ảnh tiêu mốc được lựa chọn 45

Hình 4.1: Sơ đồ thiết kế bay chụp ảnh 63

Hình 4.2: Thao tác bay chụp ở thực địa 64Hình 4.3: Tăng dày khối TGAKG theo nguyên lý chùm tia 64Hình 4.4: Sản phẩm Point Cloud, DTM, Ortho photo 66

Danh mục các sơ đồ

Sơ đồ 4.1: Quy trình công nghệ xây dựng CSDL nền địa lý tỷ lệ 1/2000 74

Sơ đồ 4.2: Quy trình công nghệ tách lọc dữ liệu địa lý tỷ lệ 1/2000 75

Sơ đồ 4.3: Quy trình công nghệ Nhập siêu dữ liệu vào CSDL 86

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Thông tin giữ vai trò quan trọng trong công tác quản lý, nó là cơ sở cho việc đề xuất các chính sách phù hợp và lập ra các kế hoạch hợp lý nhất cho các nhà quản lý phân bổ nguồn lực cũng như trong việc ra các quyết định liên quan đến đầu tư và phát triển kinh tế, hỗ trợ lãnh đạo, chỉ huy tham mưu, tác chiến trong quân sự

Ngày nay, việc sản xuất và cung cấp TTĐL đang có vai trò rất lớn trong phát triển kinh

tế xã hội và bảo đảm an ninh quốc phòng, luôn là mục tiêu nghiên cứu chiến lược của nhiều quốc gia

Sự phát triển mạnh mẽ của CNTT, cho phép ta ứng dụng để giải quyết các vấn đề phức tạp của thực tiễn cuộc sống, đặc biệt công tác tự động hóa quá trình sản xuất, trong đó có công tác bay chụp ảnh, đo vẽ bản đồ cũng như thành lập CSDL địa lý

Thuật ngữ Hệ thống bay không người lái (UAS - Unmanned Vehicle Systems) được thế giới sử dụng khá phổ biến để thể hiện việc ứng dụng các thiết bị bay không người lái (UAVUnmanned Aerial Vehicle) để giám sát bề mặt trái đất, thu nhận ảnh phục vụ công tác thành lập bản đồ Ưu thế của công nghệ này là chi phí thấp, hình ảnh thu được nhanh, thường xuyên với độ chính xác cao và dễ dàng tạo dữ liệu 3D đáp ứng đúng thời điểm yêu cầu thu nhận thông tin Những kết quả nghiên cứu trên thế giới cho thấy hệ thống viễn thám sử dụng máy bay không người lái ở cao độ thấp từ 75m đến 750m là giải pháp tối ưu, thường được sử dụng phục vụ công tác thành lập bản đồ

Hiện nay, Công ty TNHH MTV Trắc địa Bản đồ và Cục Bản đồ/Bộ Tổng Tham mưu

đã đầu tư, tiếp nhận chuyển giao công nghệ 02 bộ UAV (Trimble UX5) từ nhà sản xuất và đã vận hành thành công hệ thống bay chụp ảnh, xử lý dữ liệu cho ra kết quả bình đồ ảnh; mô hình

số mặt đất, mô hình số độ cao Qua đo đạc, kiểm tra đánh giá cho thấy độ chính xác rất khả quan, hiện đang được ứng dụng vào quá trình sản xuất, ngoài ra đã sử dụng UAV để bay chụp diễn tập thực binh cứu hộ, cứu nạn của các nước ASIAN tại Ba Vì, Hà Nội

Máy bay chụp ảnh hàng không TRIMBLE UX5, loại máy bay không người lái UA (UA=Unmanned Aircraft) Một máy bay không người lái về cơ bản là loại máy bay hoạt động

mà không có phi công Kiểu máy bay này thường được gọi là máy bay điều khiển từ xa Remotely Piloted Aircraft) Máy bay TRIMBLE UX5 sẽ được lập trình trước về chuyến bay, cất cánh, quá trình bay, hạ cánh mà giảm thiểu tối đa sự can thiệp của con người Nếu như có

(RPA-can thiệp thì đội điều khiển mặt đất có thể thay đổi hướng bay hoặc hạ cánh Trong một vài trường hợp ví dụ như thông tin liên lạc bị gián đoạn hoặc mất tín hiệu GPS thì chương trình được lập trình tự động kết nối lại tín hiệu bị mất hoặc kết thúc chuyến bay sớm và hạ cánh an toàn

Máy bay TRIMBLE UX5 có lắp Camera để chụp ảnh hàng không khu vực xác định Camera này có nhiệm vụ chụp ảnh trong suốt chuyến bay Với độ phân giải cao 16.1 megapixel

sử dụng cảm biến ASP-C cho độ nét cao và chi tiết Dải màu chuẩn RGB bao gồm một bộ lọc

UV HAZE 1 Lựa chọn dải cận hồng ngoại được sử dụng cho mục đích đặc biệt

Giá trị GSD (ground sample distance – tạm gọi là độ phân giải mặt đất) trong tab Mission và độ cao bay chụp tương ứng có mối liên hệ với nhau Độ cao bay chụp của máy bay càng cao thì mỗi pixel trên ảnh sẽ thể hiện khoảng cách thực dưới đất càng lớn Độ cao bay chụp tối thiểu, tối đa và độ phân giải tương ứng như sau:

Độ cao bay chụp tối thiểu 75 m tương đương đội phân giải mặt đất 2,4 cm Độ cao bay chụp tối đa 750 m tương đương đội phân giải mặt đất 23,9 cm Trong chuyến bay, tất cả các tấm ảnh được chụp ở độ cao xác định, dọc theo tuyến với độ chồng phủ giữa các tấm ảnh Trong cùng thời điểm, thông tin về vị trí của các tấm ảnh được ghi lại cho quá trình xử lý sau này bởi các phần mềm ví dụ như Trimble Business Center

Từ những vấn đề trên, tôi thấy rằng cần thiết phải “Nghiên cứu khả năng thu thập dữ liệu GIS từ ảnh chụp bằng máy bay không người lái (UAV) và đề xuất phương pháp cập nhật CSDL GIS quân sự tỷ lệ lớn dựa trên ảnh chụp máy bay không người lái (UAV) hỗ trợ tham mưu, chỉ huy tác chiến”

2 Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu quy trình bay chụp UAV, khả năng thu thập dữ liệu GIS và phương pháp cập nhật CSDL nền địa lý tỷ lệ lớn bằng ảnh UAV các khu vực đô thị, công nghiệp

và khu kinh tế trọng điểm hỗ trợ lãnh đạo, chỉ huy tham mưu tác chiến trong quân sự

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu chính là: Các tổ chức và đơn vị sử dụng CSDL GIS quân sự

tỷ lệ lớn trong toàn quân

Phạm vi nghiên cứu của luận án bao gồm các vấn đề liên quan đến các lý thuyết về CSDL, các nguyên lý của Hệ thống địa lý GIS, các mô hình quản trị, phân tích, đánh giá

chất lượng và khai thác dữ liệu; các tiêu chuẩn dữ liệu địa lý TC211; xây dựng mô hình

khuôn mẫu để qui nạp tất cả các dữ liệu bản đồ tỷ lệ lớn

4 Nội dung nghiên cứu

- Tìm hiểu thực trạng các phương pháp xây dựng CSDL nền địa lý tỷ lệ lớn ở nước

ta hiện nay

- Nghiên cứu qui trình bay chụp ảnh bằng máy bay không người lái (UAV), đề xuất phương pháp cập nhật CSDL GIS quân sự tỷ lệ lớn dựa trên ảnh chụp máy bay không người lái (UAV) hỗ trợ tham mưu, chỉ huy tác chiến”

- Thực nghiệm thu thập dữ liệu GIS bằng UAV và cập nhật CSDL nền địa lý quân

sự tỷ lệ 1:2.000 thuộc khu vực Quân khu 2

 Bay chụp ảnh bằng máy bay không người lái TRIMBLE UX5

 Đo vẽ (thu thập) đối tượng địa lý trên bình đồ ảnh

 Điều tra TTĐL quân sự

 Cập nhật CSDL địa lý quân sự

5 Phương pháp nghiên cứu

Kết hợp cả ba phương pháp để nghiên cứu đề tài đó là: Phương pháp định tính, phương pháp báo cáo thống kê kết quả thực nghiệm và phương pháp xử lý số liệu và biểu diễn kết quả

Trong đó phương pháp định tính cho các nội dung điều tra thu thập, phỏng vấn và phân tích những tài liệu, văn bản pháp lý, phần mềm, các công trình khoa học có liên quan đến vấn đề xây dựng CSDL để tìm thông tin trả lời cho vấn đề đã đặt ra của đề tài

Phương pháp báo cáo thống kê kết quả thực nghiệm: thử nghiệm lấy các số liệu thực tế làm sáng tỏ cơ sở lý thuyết đưa ra

Phương pháp xử lý số liệu và biểu diễn kết quả: Sử dụng phương pháp đánh giá, biểu đồ, thống kê theo bảng, sử dụng phần mềm Excel, SPSS … và các phần mềm đồ họa

để tổng hợp, phân tích và biểu diễn kết quả nghiên cứu

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận văn

Ý nghĩa khoa học: Luận văn đã phân tích và khẳng định tính đúng đắn trong việc

đưa ra phương pháp thu thập dữ liệu GIS từ ảnh chụp bằng máy bay không người lái (UAV) và đề xuất phương pháp cập nhật CSDL GIS quân sự tỷ lệ lớn dựa trên ảnh UAV

hỗ trợ tham mưu chỉ huy tác chiến phù hợp với mục tiêu đề tài

Ý nghĩa thực tiễn: Bằng việc khai thác, ứng dụng công nghệ tin học tiên tiến ứng

dụng cho ngành Trắc địa Bản đồ để cập nhật CSDL GIS quân sự tỷ lệ lớn hiệu quả, tránh sai sót và đẩy nhanh tiến độ cập nhât dữ liệu

Hệ thống bay chụp ảnh bằng máy bay không người lái (UAV) cho phép cung cấp thông tin tư liệu nhanh chóng, cho ra những sản phẩm đa dạng, chính xác

Với mô hình bay chụp ảnh bằng máy bay không người lái (UAV) này sẽ đặt nền tảng để phát triển mở rộng thành mô hình cập nhật hệ thống CSDL GIS quân sự tỷ lệ lớn trên diện rộng

7 Lời cảm ơn

Trước hết, tôi xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành của tôi đến Tiến sĩ Vũ Huấn – Cục Bản đồ BTTM, người đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn và cung cấp cho tôi những thông tin cần thiết để hoàn thành luận án tốt nghiệp này

Tôi cũng bày tỏ lòng biết ơn đến các giảng viên và cán bộ Khoa Trắc địa, Đại học

Mỏ địa chất Hà Nội đã cung cấp cho tôi những kiến thức nâng cao về nghiệp vụ chuyên môn rất cần thiết và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập tại trường

Đặc biệt, tôi rất biết ơn lãnh đạo, chỉ huy và bạn bè đồng nghiệp tại Công ty TNHH MTV Trắc địa Bản đồ, Cục Bản đồ BTTM đã tạo điều kiện, hỗ trợ, cung cấp cho tôi số liệu quan trọng để thực nghiệm đề tài tốt nghiệp theo kế hoạch

Cuối cùng, tôi muốn bày tỏ lời cảm ơn đến gia đình tôi, đã luôn sát cánh, bên cạnh tôi, chăm sóc, giúp đỡ và mang lại cho tôi những điều kiện tốt nhất về thời gian, vật chất, tinh thần để hoàn thành luận án này và kết thúc khóa học Thạc sĩ Bản đồ viễn thám và hệ TTĐL đúng niên hạn

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ

1.1 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng TTĐL trên thế giới

Năm 1964 Canada đã xây dựng Hệ thống TTĐL đầu tiên trên thế giới có tên gọi là Canadian Geographical Information System Song song với Canada, tại Mỹ hàng loạt các trường đại học cũng tiến hành nghiên cứu và xây dựng các Hệ thống TTĐL Tuy nhiên rất nhiều hệ thống trong số đó đã không tồn tại được bao lâu do khâu thiết kế cồng kềnh và giá thành quá cao; Các nhà nghiên cứu ở giai đoạn này đã đưa ra những lý luận nhận định quan trọng về vai trò, chức năng của Hệ thống TTĐL: Hàng loạt loại bản đồ có thể được

số hoá và liên kết với nhau tạo ra một bức tranh tổng thể về tài nguyên thiên nhiên của một khu vực, một quốc gia hay một châu lục Sau đó máy tính được xử dụng để phân tích các đặc trưng của nguồn tài nguyên đó và cung cấp các thông tin bổ ích, kịp thời cho việc quy hoạch

Trong những năm 70 – 80, đứng trước sự gia tăng nhu cầu quản lý nguồn tài nguyên thiên nhiên và bảo vệ môi trường, nhiều quốc gia và các tổ chức quốc tế đã quan tâm nhiều hơn đến sự nghiên cứu và phát triển của hệ thống TTĐL Cũng trong khung cảnh đó,

có hàng loạt các yếu tố đã thay đổi một cách thuận lợi cho sự phát triển của Hệ thống TTĐL Các hệ ứng dụng GIS trong lĩnh vực quản lý tài nguyên thiên nhiên và môi trường phát triển mạnh trong thời gian này, điển hình như các hệ LIS (Land Information System), LRIS (Land Resource Information System), ILWIS (Integrated Land and Water Information System), … và hàng loạt các sản phẩm thương mại của các hãng, các tổ chức nghiên cứu phát triển ứng dụng GIS như ESRI, Computerversion, Intergraph, …

Trên thế giới cũng như trong khu vực hiện nay, đã xuất hiện nhiều nhu cầu bức xúc

tổ chức các CSDL toàn cầu hoặc khu vực để giải quyết các vấn đề chung như: môi trường, lương thực, tài nguyên thiên nhiên, dân số, … Định hướng xây dựng các cơ sở dư liệu toàn cầu về địa lý, tài nguyên và môi trường đang được các nhà quản lý quan tâm Việc xây dựng dữ liệu địa lý và đất đai toàn cầu được xác định trong chương trình Bản đồ Thế giới (Global Mapping) được bắt đầu từ năm 1996 với nội dung là thành lập hệ thống bản

đồ nền theo tiêu chuẩn thống nhất ở tỷ lệ 1/1.000.000 bao gồm các lớp thông tin liên quan đến tài nguyên đất Các nhà khoa học trên thế giới đã dự định tới việc xây dựng một

CSDL không gian thống nhất mang tên GSDI (Spatial Data Infrastructure), những nghiên cứu khả thi về hệ thống CSDL này đã được tiến hành từ năm 1996

Ở các nước trong khu vực Đông Nam Á, Liên Hợp Quốc chủ trì chương trình Cơ sở

hạ tầng về TTĐL Châu Á – Thái bình dương (GIS Infastructure for Asia and the Pacific) bắt đầu từ năm 1995 tại Malaysia Với sự hình thành các nhóm nghiên cứu về: hệ quy chiếu và địa giới hành chính, hệ thống pháp lý, bản đồ nền, chuẩn hoá thông tin, kể từ năm 1997 chương trình này tập trung nghiên cứu xây dựng hệ quy chiếu - hệ toạ độ khu vực và CSDL không gian và khu vực

Năm 2006 Viện địa lý quốc gia Pháp đã nghiên cứu thành công tích hợp công nghệ GIS GeoConcept với hệ quản trị CSDL nguồn mở PostGIS/PostgreSQL để quản lý toàn bộ dữ liệu không gian của nước Pháp với khoảng 30 triệu đối tượng địa lý

Ở Mỹ sản phẩm nghiên cứu Google Earth của hãng Google là trang thông tin CSDL địa lý nhằm đáp ứng nhu cầu chủ yếu để phục vụ du lịch và tìm kiếm bất động sản

Nó đã và đang được hàng tỷ người trên thế giới thường xuyên truy cập Tuy nhiên thông tin có được chỉ ở mức độ khái quát cấp độ các quốc gia, chưa phải là hệ thống GIS hoàn chỉnh và cũng không cho phép phân tích không gian, chiết suất dữ liệu khi cần Ưu điểm của hệ thống là tốc độ tra cứu thông tin vị trí trên Web rất nhanh, giao diện thân thiện, dễ

sử dụng

Ngày nay, việc sản xuất và cung cấp TTĐL đang đóng góp giá trị rất lớn trong phát triển kinh tế xã hội và bảo đảm an ninh quốc phòng, và luôn là mục tiêu nghiên cứu chiến lược của nhiều quốc gia Người ta quản lý và sử dụng TTĐL dựa trên công nghệ GIS và

hệ thống CSDL địa lý Sự ra đời và tính đa dạng của các phần mềm GIS xuất phát từ nhu cầu ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau của công nghệ GIS và nhu cầu xử lý

dữ liệu địa lý khác nhau của mỗi quốc gia, mỗi khu vực Tuy nhiên việc phát triển GIS không dựa trên các chuẩn về CSDL đã dẫn đến việc chia sẻ TTĐL giữa các GIS rất khó khăn và việc sử dụng thông tin bị hạn chế một cách đáng kể

Trên thế giới đã hình thành Tổ chức chuẩn hoá quốc tế ISO/TC 211 (Technical Committee 211) với 33 quốc gia tham gia và Hiệp hội GIS mở (OGC - Open GIS Consosium) nhằm mục đích đưa ra các bộ chuẩn cho TTĐL số Một số nước như Mỹ, Canada, Nhật, Nga, Trung Quốc … cũng đã thành lập các Uỷ Ban dữ liệu địa lý quốc gia

để xây dựng cơ sở hạ tầng dữ liệu không gian quốc gia phù hợp với chuẩn TTĐL quốc tế

Các Cục Bản đồ của Anh, Pháp, Đức đều đã xây dựng xong CSDL nền địa lý quốc gia và đang tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện chuyển đổi CSDL không gian từ các hệ thống GIS hiện có theo chuẩn mới ISO/TC211 của quốc tế và chuẩn riêng của mỗi quốc gia

Xu thế chung hiện nay của thế giới là nghiên cứu xây dựng các hệ thống GIS theo hướng môi trường mở, phù hợp với bộ tiêu chuẩn TTĐL số là ISO/TC211 dựa trên mô hình cấu trúc dữ liệu quan hệ đối tượng[11]

Nói tóm lại vấn đề xây dựng các CSDL địa lý toàn cầu và khu vực đang là một nhu cầu lớn đựơc nhiều nước quan tâm nhằm giải quyết các vấn đề mang tính chiến lược phát triển đối với mỗi quốc gia cũng như trên toàn cầu

1.2 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng TTĐL tại Việt Nam

Việt Nam, công nghệ GIS mới chỉ được chú ý trong vòng 10 năm trở lại đây, tuy nhiên phần lớn mới chỉ dừng lại ở mức xây dựng CSDL cho các dự án nghiên cứu Một số phần mềm lớn của GIS như ARCINFO, MAPINFO, MAPPING OFFICE, …đã được sử dụng ở nhiều nơi để xây dựng lại bản đồ địa hình, địa chính, hiện trạng trên phạm vi toàn quốc Sự kết hợp giữa công nghệ viễn thám và GIS đã bắt đầu được ứng dụng trong một

số nghiên cứu về nông lâm nghiệp như trong công tác điều tra quy hoạch rừng (Viện Điều tra Quy hoạch Rừng), công tác điều tra đánh giá và quy hoạch đất nông nghiệp của viện quy hoạch, thiết kế nông nghiệp, …

Năm 1998 Tổng cục Địa chính (nay là Bộ Tài nguyên và Môi trường) đã xây dựng dự

án khả thi xây dựng CSDL quốc gia về tài nguyên đất (bao gồm CSDL địa lý và CSDL đất đai), mục tiêu của dự án: Nghiên cứu phân tích thiết kế tổng thể hệ thống CSDL quốc gia về tài nguyên đất và kế hoạch triển khai dài hạn Theo dự án, trong giai đoạn 2000 – 2010 sẽ tập trung xây dựng cơ sở hạ tầng thông tin cho CSDL tài nguyên đất ở trung ương và các tỉnh bao gồm: Đầu tư từng bước phần cứng phần mềm, đường truyền cho CSDL thành phần; đào tạo cán bộ tin học; xây dựng chuẩn thông tin thống nhất; xây dựng CSDL thông tin bao gồm hệ quy chiếu, hệ toạ độ - độ cao Nhà nước, hệ thống địa danh, địa giới hành chính, xây dựng thông tin bản đồ nền địa hình các tỷ lệ 1/50.000, 1/100.000 phủ trùm cả nước và tỷ lệ 1/25.000, 1/10.000 các vùng kinh tế trọng điểm; Xây dựng thông tin bản đồ nền địa hình đáy biển các tỷ lệ từ 1/10.000 đến 1/1.000.000; bản đồ nền địa lý các tỷ lệ nhỏ hơn 1/1.000.000 cả nước; xây dựng thông tin không gian có liên quan khác như bản đồ ảnh hàng không, vũ trụ, các loại bản đồ địa lý khác; xây dựng CSDL thông tin đất đai đến từng thửa đất ở cấp tỉnh,

xây dựng CSDL thông tin hiện trạng sử dụng đất, chất lượng đất, giá đất, quy hoạch sử dụng đất; xây dựng các phần mềm ứng dụng để khai thác thông tin

Nhìn chung các hệ thống CSDL địa lý đã từng bước đáp ứng có hiệu quả trong giải quyết các nhu cầu sử dụng trước mắt của mỗi bộ, ngành, địa phương Tuy nhiên việc trao đổi, giao lưu dữ liệu giữa các bộ ngành, giữa các địa phương trong các hệ thống trên đã gặp không ít khó khăn do chưa có chuẩn chung về dữ liệu nền không gian [4] Việc phát triển hệ thống GIS một cách tự phát, manh mún trong các bộ ngành, tổ chức đã dẫn đến một tình trạng đó là việc kế thừa các sản phẩm nói trên cho các hệ thống tổng thể hoặc cho các ứng dụng đa ngành sẽ khó thực hiện và do đó gây ra sự lãng phí

Trước thực tế đó, Bộ Tài nguyên và Môi trường hiện đã có nhiều nghiên cứu để tiến hành xây dựng các chuẩn Quốc gia về dữ liệu nền không gian Đáng chú ý là công trình nghiên cứu về CSDL tích hợp tài nguyên môi trường quốc gia của tác giả Lê Tiến Vương (2006) và nghiên cứu về chuẩn hóa dữ liệu địa lý của Nguyễn Văn Thắng, Lê Thanh Hải (2007) Hai tác giả này đã đề xuất xây dựng 9 qui chuẩn về dữ liệu địa lý để áp dụng thống nhất cho phát triển GIS ở Việt Nam Kết quả các nghiên cứu này đã giúp cho

Bộ Tài nguyên và Môi trường ban hành “Qui định áp dụng chuẩn TTĐL cơ sở quốc gia” (2007) Đây là bộ tiêu chuẩn cơ sở ban đầu để các bộ ngành và mọi tổ chức xây dựng phát triển hệ thống CSDL chuyên đề riêng của mình theo chuẩn TTĐL cơ sở quốc gia [11]

1.3 Sự cần thiết Nghiên cứu khả năng thu thập dữ liệu GIS từ ảnh chụp bằng máy bay không người lái (UAV) và đề xuất phương pháp cập nhật CSDL GIS quân sự tỷ

lệ lớn dựa trên ảnh UAV hỗ trợ tham mưu chỉ huy tác chiến

Trước đây việc cập nhật, chỉnh lý bản đồ cũng như CSDL địa lý gặp nhiều khó khăn, do tư liệu đầu vào phải mua từ nước ngoài hoặc phải bay chụp ảnh hàng không rất phức tạp và tốn kém Từ khi công nghệ bay chụp ảnh bằng máy bay không người lái UAV ra đời đã tạo ra bước tiến quan trong trong ngành Trắc địa bản đồ; xây dựng, cập nhật CSDL nền địa lý nói chung và CSDL địa lý quân sự tỷ lệ lớn nói riêng Việc cung cập tư liệu ảnh ở khu vực hẹp cần chỉnh lý được thực hiện nhanh chóng, đơn giản và tiết kiệm hơn rất nhiều, ít phụ thuộc vào các điều kiện ngoại cảnh khác

Từ những vấn đề trên, tôi thấy rằng cần thiết phải “Nghiên cứu khả năng thu thập

dữ liệu GIS từ ảnh chụp bằng máy bay không người lái (UAV) và đề xuất phương pháp cập nhật CSDL GIS quân sự tỷ lệ lớn dựa trên ảnh chụp bằng máy bay không người lái (UAV) hỗ trợ tham mưu, chỉ huy tác chiến” là hết sức cần thiết và cấp bách đối với Bộ Quốc phòng trong giai đoạn trước mắt và lâu dài

xử lý và truyền dẫn thông tin, các phương tiện dùng để lưu trữ thông tin và các phương thức thu nhận, xử lý và kết xuất thông tin Hệ thống thông tin trong một tổ chức có thể bao gồm nhiều hệ thống con Một tập hợp cụ thể gồm các thiết bị, các chương trình máy tính, các tập tin và các thủ tục hợp thành nên một hệ thống thông tin ứng dụng Vì vậy, trong hệ thống thông tin của tổ chức hoạt động có thể có nhiều hệ thống thông tin ứng dụng Hệ thống thông tin trong tổ chức hoạt động sản xuất kinh doanh có thể có các hệ thống thông tin ứng dụng vào các lĩnh vực khác nhau: tài chính kế toán, kế hoạch, vật tư, sản xuất, tiêu

thụ, lao động tiền lương v.v Mô hình phân cấp hệ thống thông tin như hình 1

2.1.2 Các đặc trưng của hệ thống thông tin trong tổ chức hoạt động

Ứng dụng lý thuyết hệ thống trong việc thiết kế hệ thống thông tin; một hệ thống được cấu thành bởi nhiều hệ thống con, mỗi khi các hệ con này được nối kết và tương tác với nhau nó sẽ phục vụ cho mạng liên lạc giữa các lĩnh vực hoạt động khác nhau của tổ chức Quan niệm này có thể phù hợp cho mọi tổ chức có qui mô hoạt động dù nhỏ hay lớn

Hệ thống thông tin được xây dựng trên nền tảng hệ thống xử lý thông tin hiện đại

đó là hệ thống máy tính điện tử Bởi vì trong điều kiện phát triển nhanh chóng của xã hội hiện nay chỉ có hệ thống máy tính mởi xử lý nổi khối lượng lớn thông tin phong phú và đa dạng trong thời gian ngắn, tự động tuyển lựa và chuyển giao thông tin cần thiết để đáp ứng nhanh chóng các nhu cầu dùng tin của các thành viên và trước hết là cho việc lãnh đạo và quản lý của tổ chức hoạt động

Hình 2.1 Mô hình phân cấp hệ thống thông tin

Hệ thống thông tin hướng về việc ra quyết định; sự thành công của mọi tổ chức đều dựa trên các quyết định đúng đắn và đúng thời điểm Để có được điều này, phải cung cấp các thông tin cần thiết, đủ chính xác và kịp thời cho những người có trách nhiệm Vai trò

cơ bản của hệ thống thông tin là chuyển giao cho từng thành viên những thông tin cần thiết để xác định và chọn lựa các hành động có thể có để định hướng cho các hoạt động của mình phù hợp với mục tiêu của tổ chức và để kiểm soát các lãnh vực mà mình chịu trách nhiệm

Một đặc trưng rất quan trọng của hệ thống thông tin đó là một kết cấu hệ thống mềm dẻo và có khả năng tiến hóa Đặc thù của xã hội là luôn vận động và phát triển, mọi hoạt động của bất kỳ tổ chức nào cũng luôn vận động và phát triển Một hệ thống thông tin rất

HỆ THÔNG TIN

Hệ thông tin phi hình học

(Kế toán, Quản trị nhân sự,

)

Hệ thông tin không gian

Hệ thông tin địa lý (GIS) Các hệ thông tin không gian

khác (CAD/CAM )

Các hệ thống GIS khác (Kinh tế Xã hội, Dân số )

Hệ thông tin Quân sự

có thể trở nên lỗi thời nhanh chóng nếu không có khả năng thay đổi mềm dẻo và mở rộng được để phù hợp với sự biến đổi và phát triển của tổ chức hoạt động [7]

2.2 Hệ thống thông tin địa lý

2.2.1 Định nghĩa

Hệ thống TTĐL - Geographical information system ( GIS) là một tổ chức tổng thể của bốn hợp phần: phần cứng máy tính, phần mềm, tư liệu địa lý và người điều hành được thiết kế hoạt động một cách có hiệu quả nhằm tiếp nhận, lưu trữ, điều khiển, phân tích và hiển thị toàn bộ các dạng dữ liệu địa lý HTTĐL có mục tiêu đầu tiên là xử lý hệ thống dữ liệu trong môi trường không gian địa lý (Viện nghiên cứu môi trường Mỹ - 1994)

Một định nghĩa khác có tính chất giải thích, hỗ trợ là: HTTĐL là một hệ thống máy tính có chức năng lưu trữ và liên kết các dữ liệu địa lý với các đặc tính của bản đồ dạng đồ họa, từ đó cho môt khả năng rộng lớn về việc xử lý thông tin, hiển thị thông tin và cho ra các sản phẩm bản đồ, các kết quả xử lý cùng các mô hình (antenucci 1991)

Những khả năng này phân biệt GIS với các hệ thống thông tin khác và khiến cho GIS có phạm vi ứng dụng rộng trong nhiều lĩnh vực khác nhau (phân tích các sự kiện, dự đoán tác động và hoạch định chiến lược)

Vì HTTĐL là một hệ thống tổng hợp của nhiều công việc kỹ thuật, do đó đòi hỏi người điều hành phải được đào tạo và có kinh nghiệm trong nhiều lĩnh vực Người điều hành là một phần không thể thiếu được của HTTĐL Hơn nữa sự phát triển không ngừng của các kỹ thuật phần cứng và phần mềm đòi hỏi người điều hành phải luôn được đào tạo

2.2.4 Phần cứng (máy tính và thiết bị ngoại vi)

Phần cứng của một HTTĐL bao gồm các hợp phần sau: Bộ xử lý trung tâm (CPU), thiết bị nhập dữ liệu, lưu dữ liệu và thiết bị xuất dữ liệu

2.2.5 Phần mềm

Một hệ thống phần mềm xử lý HTTĐL yêu cầu phải có hai chức năng sau: tự động hoá bản đồ và quản lý CSDL Sự phát triển kỹ thuật HTTĐL hiện đại liên quan đến sự phát triển của hai hợp phần này

2.2.6 Dữ liệu

Bao gồm dữ liệu không gian và dữ liệu phi không gian, được thu thập, lưu trữ theo một cấu trúc chuẩn, có thể liên thông trên mạng và được bảo quản theo một chế độ nhất định Tại đây, có những bài toán đặt ra như mô hình CSDL phục vụ các yêu cầu lưu trữ, truy xuất, hiển thị, công nghệ nhập dữ liệu, phân quyền sử dụng dữ liệu, an ninh dữ liệu trên mạng, tổ chức CSDL phân tán hay tập trung, v.v CSDL là một thành phần quan trọng trong các hệ thống TTĐL phục vụ quản lý hành chánh nhà nước Trong hệ thống này, dữ liệu bao gồm dữ liệu không gian và dữ liệïu phi không gian với dung lượng rất lớn, cần được cập nhật thường xuyên, phải được tổ chức lưu trữ theo một mô hình CSDL được thiết kế phục vụ cho công tác lưu trữ, quản lý, truy vấn và hiển thị dữ liệu Ở đây, giá trị của dữ liệu cũng cần được xác lập dữ liệu trong hệ thống TTĐL phục vụ quản lý hành chánh nhà nước là một loại tài nguyên quốc gia, trong đó có những loại dữ liệu phổ biến, những loại dữ liệu chia sẻ có điều kiện và những loại dữ liệu không thể chia sẻ theo qui định bảo mật của nhà nước Dữ liệu trong một hệ thống TTĐL bao gồm dữ liệu không gian, dữ liệu phi không gian liên kết nhau có thể được quản lý trên mạng theo mô hình tập trung hay phi tập trung CSDL của hệ thống TTĐL bao gồm hai phần chính là CSDL nền

và CSDL chuyên ngành

2.2.6.1 Cơ sở dữ liệu nền

CSDL nền bao gồm những lớp dữ liệu mà hệ thống TTĐL chuyên ngành nào cũng

sử dụng như dữ liệu về lưới tọa độ (tọa độ địa lý, tọa độ quốc gia), dữ liệu về giao thông,

dữ liệu về thủy văn, dữ liệu về độ cao, dữ liệu về hành chánh, dữ liệu về giải thửa, v.v

Các hệ thống TTĐL phục vụ quản lý đã phát triển lần lượt từ những nhóm chuyên ngành tài nguyên thiên nhiên, môi trường, cơ sở kỹ thuật hạ tầng, sử dụng đất đai, kinh tế

xã hội Tiến trình phát triển này đã cho thấy qui luật phát triển của hệ thống từ những dữ liệu liên quan nhiều với đất đai, ít liên quan với con người tiến dần đến những loại dữ liệu liên quan nhiều với con người, ít liên quan với đất đai

Ngày nay với sự phát triển nhanh của ngành CNTT, tiến trình phát triển các hệ thống TTĐL phục vụ quản lý không thể diễn ra tuần tự mà các hệ thống cần phải được tiến hành song song Để làm được việc này, hệ CSDL GIS có thể được thiết kế thành 2 phần: hệ CSDL nền GIS và các hệ CSDL GIS chuyên ngành

CSDL nền GIS bao gồm những dữ liệu mà các hệ thống TTĐL trong cùng một địa bàn (vùng quản lý) đều cần đến và có thể sử dụng chung Như vậy, tập dữ liệu nền GIS của hệ thống TTĐL là phần giao của các tập dữ liệu chuyên ngành trong cùng hệ thống

Trong hệ thống TTĐL phục vụ quản lý địa phương, CSDL nền GIS còn là môi trường trao đổi dữ liệu, tạo điều kiện chia xẻ tài nguyên dữ liệu giữa các chuyên ngành Mặc khác, việc thành lập CSDL nền GIS còn góp phần tiết kiệm ngân sách một cách đáng

kể vì các ngành, các cấp có thể sử dụng chung một nguồn tài nguyên dữ liệu của CSDL nền

Sau khi CSDL nền GIS được xây dựng một cách chuẩn mực, các hệ CSDL GIS chuyên ngành có thể phát triển độc lập mà không cần theo trình tự truyền thống của các nhóm chuyên ngành tài nguyên thiên nhiên, môi trường, hạ tầng kỹ thuật, địa chánh, kinh

tế xã hội như trong trình tự phát triển các hệ thống TTĐL trước đây

CSDL nền trong hệ thống TTĐL phục vụ quản lý hành chính cấp tỉnh gồm các dữ liệu cơ bản như:

- Hệ tọa độ địa lý theo hệ tọa độ chuẩn quốc gia là hệ VN-2000

- Hệ cao độ gồm bình độ và điểm độ cao được biểu diễn theo dạng đường, vùng, điểm

- Hệ giao thông gồm các loại đường giao thông biểu diễn dạng đường, vùng, điểm

- Hệ thủy văn gồm các loại sông, suối, hồ, biểu diễn dạng đường, vùng

- Hệ nhà gồm nhà, đất biểu diễn dạng vùng và topology

- Hệ hành chánh gồm tỉnh, huyện/ quận, xã/phường được biểu diễn dạng đường, vùng và topology

2.2.6.2 CSDL chuyên ngành

Bao gồm dữ liệu của các yếu tố chuyên ngành được biểu diễn theo mô hình dữ liệu không gian và phi không gian liên kết Có thể có CSDL của các chuyên ngành như tài nguyên thiên nhiên, môi trường, sử dụng đất, cơ sở hạ tầng kỹ thuật, các chuyên ngành kinh tế xã hội Khi thiết kế CSDL chuyên ngành cần chú ý đến những quan hệ giữa các yếu tố đơn tính trong một chuyên ngành đồng thời những quan hệ của các yếu tố giữa các ngành với nhau Đối với mỗi chuyên ngành, tùy theo mục tiêu của hệ thống TTĐL, những qui trình xây dựng CSDL được thiết kế khác nhau

2.2.6.3 Cơ sở dữ liệu không gian

CSDL không gian là CSDL có chứa trong nó những thông tin về định vị của đối tượng có kích thước vật lý nhất định hay có một không gian nhất định

Nếu là những cơ sở dữ liệu không gian địa lý thì đó là những dữ liệu phản ánh những đối tượng có mặt ở trên hoắc ở bên trong bề mặt vỏ quả đất

Từ góc độ công nghệ TTĐL, đó là những yếu tố địa lý, địa chất được phản ánh trên bản đồ bằng những kiểu cấu trúc dữ liệu nhất định Tuy nhiên cơ sở dữ liệu không gian đơn thuần là sự mô tả giống như địa chỉ của một khu dân cư mà chúng ta nên hiểu rằng địa chỉ đó chỉ mô tả một khu dân cư còn bản thân khu dân cư đó mới chính là một cơ sở

dữ liệu không gian

Dữ liệu không gian có 3 dạng cơ bản: điểm, đường và vùng (polygon)

Các đối tượng như các kiểu đất, cảnh quan là cơ sở dữ liệu không gian polygon Sông, đường giao thông là những dữ liệu dạng đường Các điểm mốc trắc địa, điểm của các giêng khoan là những cơ sở dạng điểm

- Vị trí của đối tượng

Trong khi đo vẽ, chúng ta luôn luôn phải trả lời câu hỏi cái này ở đâu, vị trí của nó ở chỗ nào trên bản đồ? Thật vậy, việc xây dựng vị trí các đối tượng là hết sức cần thiết Chẳng hạn như đo vẽ bản đồ chuyên ngành ở nước ta từ trước đến nay luôn phải triển khai dựa trên một bản đồ topo nào đó Song thực tế cho thấy độ chính xác của bản đồ đó không đáp ứng đủ cho công việc vẽ bản đồ chuyên ngành nhất là tỷ lệ trung bình và lớn

- Đặc trưng của đối tượng

Đây chính là mô tả thuộc tính của đối tượng và máy tính có thể hiểu được nhờ việc mã hóa chúng theo các mức dữ liệu và bằng các giá trị số khác nhau

- Mối quan hệ giữa các đối tượng

Các đối tượng trong nghiên cứu chuyên ngành luôn luôn được so sánh với nhau để tìm ra mối liên quan, ảnh hưởng giữa chúng Đó là mối tương quan hình học topology Đây là một yếu tố rất quan trọng và có thể nói là một yếu tố then chốt trong công nghệ TTĐL Đây là sự khác biệt cơ bản giữa hệ thông tin địa lý hiện đại và các hệ xử lý đồ thị khác 2.2.6.4 Cơ sở dữ liệu thuộc tính

Cơ sở dữ liệu thuộc tính là cơ sở

dữ liệu phản ánh tính chất của các đối

tượng khác nhau và không nhất thiết

phải mang nặng tính địa lý Ví dụ, các

thông tin về chủ đất, chất lượng, thể

loại đất là những dữ liệu thuộc tính

(hình 4) [3]

Hình 2.3 Mô hình tổ chức của HTTĐL

2.2.7 Các mô hình cấu trúc CSDL

2.2.7.1 Khái quát chung

Tư liệu (data) được hiểu như những sự hiện diện đã được kiểm tra về thế giới thực (Graeme F Borinam Carter) Thông tin là tư liệu được tổ chức theo những mẫu thể hiện nhằm dễ dàng tìm kiếm và khai thác

tên

Gi

á trị

l ơ

p

b i c

n

Vị trí tương quan (topology)

Tọa

độ x,y

Dữ liệu thuộc tính

Dữ liệu không gian

Các dữ liệu địa lý

Tư liệu không gian phải được trình bày và lưu trữ một cách riêng biệt trong những không gian của HTTĐL Ví dụ: đường, điểm, vùng, bề mặt … phải được lưu trữ độc lập cùng các thuộc tính của chúng tạo thành những file dữ liệu không gian hoặc phi không gian

CSDL là toàn bộ những thông tin cần thiết về đối tượng được lưu giữ dưới dạng số CSDL có thể là không gian hoặc phi không gian Hệ thống quản lý CSDL (Database management System - DBMS) là tập hợp một số chức năng của phần mềm để lưu giữ, bổ sung và thể hiện dữ liệu Các hệ thống quản lý CSDL phi không gian hoặc không gian thường tách biệt nhau Cũng có một số phần mềm tổ chức kết hợp để quản lý cả hai dạng

dữ liệu hoặc cung cấp khả năng liên kết với các phần mềm CSDL khác

Cấu trúc dữ liệu không gian là sự tổ chức tư liệu không gian dưới một khuôn dạng

phù hợp với máy tính Cấu trúc của dữ liệu phải được tổ chức để có sự liên hệ giữa các mô hình dữ liệu và các khuôn dạng (format) dữ liệu Thực tế, giữa khái niệm mô hình và cấu trúc dữ liệu ít có sự phân biệt Tuy nhiên khái niệm mô hình được sử dụng ở phạm vi nguyên lý từ khái quát đến cụ thể, còn cấu trúc là khái niệm mang tính chất kỹ thuật và minh hoạ một cách hệ thống về bản chất và sự liên hệ giữa các thành phần của CSDL

Cấu trúc của dữ liệu Raster được sử dụng rộng rãi trong hệ xử lý ảnh và xử lý TTDL - raster, còn cấu trúc của dữ liệu vertor được sử dụng nhiều trong các hệ CAD (Computer Aided Decizion - Máy tính thiết kế trợ giúp), hoặc trong HTTĐL vertor với những khả năng mạnh về bản đồ Trong thực tế áp dụng nhiều HTTD có cả hai hệ thống cấu trúc dạng Raster và Vertor để có thể sử dụng một cách linh hoạt và giao diện với nhau

để đáp ứng cho những nhiệm vụ cần giải quyết Những sự giao diện đó được thể hiện cụ thể với việc xử lý một hệ thống dữ liệu mẫu điểm là: có bảng thuộc tính về tính chất và toạ độ các điểm, có khả năng nội suy thuộc tính mẫu thành các file Raster; có khả năng tạo file vertor và contour của các trường thuộc tính đã được nội suy; có khả năng tạo các mặt phẳng hình học và các mô hình không gian với dữ liệu Raster hoặc Vertor Tuy nhiên

do không phải là những HTTĐL chuyên đề mà các HTTĐL tổng hợp thường có một số ưu thế và những hạn chế nhất định

2.2.7.2 Cấu trúc dữ liệu Raster

Raster được hiểu là ô hình vuông có kích thước nhất định gọi là cell hoặc pixell (picture element), cấu trúc Raster là cấu trúc hình ảnh Mỗi ô vuông có chứa thông tin về

một đối tượng hay một sự hợp phần của đối tượng Vị trí của đối tượng được xác định bởi

vị trí của các ô vuong theo trật tự hàng và cột Cấu trúc dữ liệu Raster đơn giản nhất là cấu trúc dạng bảng, ở đó có chứa các thông tin về toạ độ và thuộc tính phi không gian Thông tin về vị trí được thể hiện ở toạ độ theo hàng và cột, tính theo trật tự sắp xếp của dữ liệu Trường hợp có nhiều tính chất thì có thể gọi là thông tin nhiều chiều Bảng thuộc tính hai chiều của đối tượng được gọi là bảng một chiều hay còn gọi là bảng thuộc tính Raster mở rộng (expanded Raster table) Cấu trúc Raster đầy đủ là cấu trúc có đầy đủ số lượng các pixell sắp xếp theo những vị trí xác định Cấu trúc Raster rất tiện lợicho việc áp dụng các chức nằng xử lý không gian dựa trên nguyên tắc chồng xếp thông tin nhiều lớp Các đặc điểm không gian là có thông tin về địa lý, nghĩa là chúng có thể được trình bày trên bất cứ một bản đồ nào của một hệ toạ độ đã biết Cấu trúc Raster yêu cầu mỗi một đặc điểm phải được trình bày thành dạng đơn vị hình ảnh (picture elemarts pixel) Trong trường hợp này một bản đồ được phân chia thành nhiều pixels, mỗi pixel có vị trí theo hàng và cột Một điểm nhỏ nhất được trình bày bởi một pixel đơn lẻ và nó chiếm một diện tích bằng kích thước của một pixel

Hình 2.4 Một đường có thể tổ chức trong cấu trúc Vector (A) và Raster (B)

Một đường trong cấu trúc Raster là một loạt các pixel nối với nhau và một polygon

là một đám (cluster) của các pixel có cùng một giá trị Sau đây là những ưu điểm cơ bản của cấu trúc Raster:

• Đơn giản và dễ tham khảo

• Việc chồng xếp các lớp bản đồ được thực hiện một cách thuận tiện đưa đến kết quả

• Đối với mô hình không gian, các đơn vị địa lý được xác định trong cấu trúc Raster, bao gồm hình dạng và kích thước Như vậy trong kết quả mối quan hệ giữa các pixel là ổn định và dễ dàng vẽ ra được

• Dễ thiết lập một bề mặt liên tục bằng phương pháp nội suy

• Đa số các tư liệu không gian thường được ghi ở dạng Raster như ảnh vệ tinh, ảnh máy bay chụp quét Thông thường các tư liệu Raster đó dẽ dàng nhập trực tiếp mà không cần một sự thay đổi nào

Những nhược điểm của cấu trúc dữ liệu Raster:

• Tài liệu thường bị tình trạng quá tải, làm tốn nhiều phần của bộ nhớ trong máy tính Trong rất nhiều trường hợp, các yếu tố bản đồ không nhất thiết phải được gắn thuộc tính (code hoá) thành các ô lưới đặc trưng Trong cấu trúc dữ liệu Raster, những vùng rất rộng lớn có đặc điểm giống nhau được tồn tại một cách ngẫu nhiên với một giá trị nào đó

và là tập hợp của rất nhiều ô lưới Trong khi đó khi thể hiện về độ dốc thì ở vùng có độ dốc tương đối giống nhau, cấu trúc raster vẫn thể hiện sự khác nhau do kích thước của các pixel tạo nên đường gồ ghề

• Mối quan hệ về hình học giữa các yếu tố không gian thì khó vẽ và khó thiết lập được, ví dụ với hai bản đồ được xác định bằng hàng, cột thì mối liên hệ hình học giữa các đặc điểm của hai bản đồ đó là rất khó xác định

• Các bản đồ Raster thường thô và kém vẻ đẹp hơn so với bản đồ vẽ bằng đường nét thanh của cấu trúc Vector Trong bản đồ Raster, các yếu tố đường, sông, … ranh giới thường được biểu hiện bằng các pixel nên có dạng răng cưa

• Việc chuyển đổi các thuộc tính không gian của cấu trúc Raster thì dễ bị nhiễu Ví

dụ một con đường khi quay đi một góc nào đó rồi quay lại đúng

góc đó nhưng nó có thể bị biến đổi so với hình dạng ban đầu

• Đối với phân tích không gian, hạn chế nhất của cấu trúc Raster là độ chính xác thường thấp so với mong muốn (ví dụ khi tính độ day của một đoạn thẳng sai số thường lớn hơn so với đo trực tiếp) Đây là điều khó tránh khỏi vì kích thước tính được liên quan đến kích thước của các pixel và vị trí của một đoạn thẳng hay của một điểm cũng được xác định tuỳ thuộc kích thước của pixel.Đây cũng là một điểm cần lưu ý trong khi thể hiện bản đồ dạng Raster (

hình )

Hình 2.5 Mô phỏng cách thể hiện các khoanh vi theo cấu trúc Raster

2.2.7.3 Cấu trúc dữ liệu dạng Vector

Như phần trên đã giới thiệu,trong cấu trúc dữ liệu dạng Vector, các đối tượng không gian được trình bày bằng một loạt các Vector Trong khái niệm toán học, một Vector đ−ợc thể hiện bằng một điểm xuất phát (starting point) với toạ độ X và Y đã cho, một hướng (direction) nghĩa là có một góc nào đó theo hướng đông, tây, nam, bắc và một

độ dài (length) Một điểm được thể hiện bởi một Vector bị thoái hoá (degenerate) với cả hướng và độ dài của nó đều bằng 0 Trong trường hợp này điểm cũng không có cả diện tích

Một đường được thể hiện bởi sự lặp lại của các Vector, mà các Vector này là các đoạn thẳng vì chiều rộng của các Vector cũng không được xác định nên về ý nghĩa không gian, đường chỉ có một kích thước, đó là độ dài Một polygon được thể hiện bởi một loạt các Vector tạo nên một vùng khép kín và diện tích của vùng đó có thể đo được

Hình 2.6 Cấu trúc dữ liệu vecter Những ưu điểm của cấu trúc Vector:

• ít trường hợp tư liệu bị đầy chặt bộ nhớ trong máy tính vì tổ chức dữ liệu Vector thường ở dạng nén, vì có thể chứa được một lượng dữ liệu Vector rất lớn trong tư liệu không gian

• Các đối tượng riêng biệt được thể hiện một cách rõ ràng và liên tục bằng những đường nét rõ ràng

• Các yếu tố không gian về mặt hình học thì dễ dàng được xác định

• Có độ chính xác cao trong việc tính toán và xử lý các yếu tố không

gian

Nhược điểm:

• Nhược điểm lớn nhất của cấu trúc dữ liệu Vector là xử lý chồng xếp các lớp bản

đồ rất khó thực hiện được, ngay cả những việc chồng xếp rất đơn giản của dữ liệu Raster

Ví dụ: Để xác định một điểm nằm trong một polygon không thì ở cấu trúc Raster rất đơn giản khi biết vị trí của điểm theo hàng hay cột Trong khi đó ở cấu trúc Vector thì phải có một sự tính toán rất phức tạp Hình bên trái dễ dàng xác định vị trí pixel B ở hàng

7 và cột số 8 hình bên phải các polygon A, B, C, D được xác định bởi một loạt các toạ độ

Hình 2.7 So sánh giữa cấu trúc Raster và Vector

XY Rất phức tạp Để xác định một điểm có toạ độ 8,4 theo toạ độ phẳng (tương ứng với điểm B ở hình bên trái có toạ độ hàng 7 cột 8) thì việc tính toán là rất phức tạp mới xác định được điểm đó nằm ở polygon nào

2.2.7.4 Mô hình cấu trúc dữ liệu cung và điểm nút (area-node)

Một mô hình dữ liệu là một cấu trúc cớ bản của dữ liệu được thiết kế để sao cho việc khai thác và xử lý là thuận tiện nhất

Mô hình cung và điểm nút (are-node) là môhình do cục thống kê của Mỹ thiết kế theo các file dữ liệu địa lý từ năm 1980 Trên cơ sở mô hình này, các đường phố và yếu tố dạng tuyến khác của nước Mỹ cũng được tổ chức theo hệ thống file dữ dạng có hai thuộc tính độc lập về cung và điểm nối (dual independence map encoding - DIME) (are-node Model- mô hình cung điểm nối) Theo mô hình này, các cung tạo nên phần lớn các đơn vị

cơ bản trên bản đồ Khái niệm về cung (area) ở đây khác với khái niệm về cung ở trong hội bản đồ của Mỹ quy định ở đây mỗi một cung bao gồm hai điểm nút: điểm đầu và điểm cuối Giữa các điểm nối và cung có thể không có hoặc có các giao điểm của các cung khác Hình dạng và độ dài của cung được xác định bởi vị trí của các điểm nối và các giao điểm (vertice hoặc vertex) Một điểm nối khác với giao điểm về tính chất hình học

Cụ thể: một điểm nối thì có toạ độ x và y và thuộc tính hình học, còn giao điểm (vertex) thì chỉ có toạ độ x và y mà không có thuộc tính (hình 7)

Hình 2.8 Cấu trúc một polygon đơn giản trong mô hình cung và điểm nối

Trên hình 3 có 4 polygon 101, 102, 103 và 104, các polygon được xác định bởi 7 cung (are) từ 33-39 Mỗi cung có một điểm nối là điểm đầu và điểm cuối

Những cung thẳng là không có giao điểm còn những cung gấp khúc là có một hoặc nhiều giao điểm (vertex) Một điểm quan trọng cần lưu ý về mô hình cung

- điểm nối là một cung luôn được xác định bởi một điểm nối Hướng của một cung được hiểu một cách đặc biệt trong thứ tự của các điểm nối, đó là điểm đầu và điểm cuối Với một hướngđã biết thì hai phía (phải và trái) của cung cũng được xác định Những thông tin về một cung bao gồm:

Thuộc tính (ID) của cung

Thuộc tính (ID) của điểm nối đầu

Thuộc tính (ID) của điểm nối cuối

Thuộc tính (ID) của polygon bên trái của cung

Toạ độ x, y của điểm nối đầu

Toạ độ x, y của điểm nối cuối

Toạ độ của tất cả giao điểm

Ngoài ra trường (field) bao gồm độ dài của một cung cũng được xác định Điểm nối có ý nghĩa về mặt hình học là nó thể hiện sự tiếp nối giữa hai yếu tố mô hình cung - điểm nối (area-node), một điểm được thể hiện bằng một yếu tố đường bị thiếu hụt (degenerate) với điểm nối đầu trùng lên điểm nối cuối và không có điểm giao cắt ở giữa

Như vậy, một điểm được thể hiện bằng một điểm nối (node) vì điểm nối đầu và điểm nối cuối là giống nhau Đối với polygon như đã nêu ở trên thì mỗi polygon là bao gồm tập hợp các cung và điểm nối Để xác định mối quan hệ không gian của polygon thì

mọi điểm giao cắt phải được xácđịnh bằng một điểm nối ưu thế cơ bản của mô hình cung cầu - điểm nối là luôn có thuộc tính không gian và nh− vậy mức độ chính xác sẽ rất cao, đồng thời dễ xác định được mối quan hệ không gian của các yếu tố Ví dụ sự tiếp giáp của hai polygon hay pplygon này nằm trong polygon kia và cách đơn giản là xem ở bảng thống kê các cung mà chúng ta tạo nên 2 polygon đó Trong bảng thống kê nếu có một cung nào đó là một phần của cả hai polygon thì 2 polygon đó là nằm liền kề nhau

Phần mềm ERIS ARC/INFO là phần mềm điển hình có tổ chức vector theo mô hình cung- điểm nối và nó tự động tính và thống kê các thuộc tính của cung, điểm nối, từ đó dễ dàng cho việc tính toán và xử lý các mô hình không gian

Trong ARC/INFO, có hai dạng bảng thống kêlà bảng thống kê thuộc tính của các polygon (polygon attribute table - PAT) và bảng thống kê thuộc tính của các cung are attribute table – AAT

Bảng 2.1 bảng thuộc tính của polygon PAT

#-ID N0

Thuộc tính

Poly – ID Thuộc tính polygon

Perimeter chu vi Area Diện tích

F-node điểm đầu

F-node điểm Cuối

I-Poly P Bên trái

P-Poly P Bên phải

Trên bảng PAT, mọi tính chất chi tiết của polygon đều được tính và thống kê, các chi tiết đó gọi là coverage Polygon thứ nhất (#-ID: 1) được gọi là polygone tổng hợp (universe polygone), nó thể hiện một vùng tổng hợp tất cả các polygon có bên trong và có diện tích được quy định là âm và có giá trị tuyệt đối bằng tổng diện tích của các polygon bên trong Các polygon tiếp theo được gắn các thuộc tính và các giá trị: chu vi, diện tích

mà được tính tự động khi các tính chất chi tiết được thiết lập

Bảng AAT mỗi cung được xác định bởi cả số thứ tự và thuộc tính của cung, thuộc tính của điểm đầu, điểm cuối và thuộc tính của các polygone ở bên phải, bên trái của cung Và các polygon này cũng chính là các polygone ở trong bảng PAT Ví dụ: polygone

số 3 trong bảng AAT có số thứ tự là 3 và thuộc tính là 102 t0 bảng PAT Cả 3 yếu tố quan trọng của vector về tính chất hình học (topology) là tính chất nối tiếp (adracency), tính chất chứa đựng (containment) và tính chất nối (conectivity) là những yếu tố rất quan trọng

và là vấn đề cốt lõi của mô hình cung - điểm nối (are - node) Các yếu tố này sẽ giúp người phân tích xác định rõ được tính chất của các yếu tố trong bản đồ

Ví dụ: để xác định hai polygon có tiếp giáp nhau hay không, người phân tích chỉ cần xem các cung xác định nên hai polygon đó, nếu có một cung nào cùng tính chất thì nó chính là

vị trí tiếp giáp của hai polygon Trong bảng TAB, hai polygon có số 102 và 103 được tiếp giáp nhau bởi cung số 33 trong bảng AAT

Để xác định tính chất chứa đựng, cách xác định cũng như vậy Muốn xác định polygon A được chứa bởi polygon B hay không thì trước hết phải xác định các cung tạo nên polygon A và thuộc tính của cả hai bên các cung, nếu như xác định thấy A luôn ở mọi phía của cung thì A nhất thiết phải được chứa trong B

Ví dụ cung số 37 trong hình 3 xác định nên polygon số 101, một phía của cung luôn là polygon số 104 thì nhất thiết polygon số 101 phải được chứa trong polygon số

104 Trong trường hợp một polygon lớn chứa nhiều polygon nhỏ bên trong cũng xác định một cách tương tự

Tính chất tiếp nối của một cung được xác định từ thuộc tính của điểm đầu (F) và điểm cuối (T) trong bảng AAT Hai cung được xem là nối trực tiếp một khi có chung điểm nối Ví dụ trong bảng, cung 33, 38 và 39 là có chung một điểm nối số 3.F Trong khi đó

cung số 37 là không được nối với một điểm nào cả vì nó chỉ có một điểm nối riêng của nó (số 2) tạo nên polygon thứ 4 có thuộc tính là 101

Ví dụ trên là ví dụ cho một sự ưu điểm của mô hình cung - điểm nối, nó xác định mối liên hệ hình học của các yếu tố và điều rất quan trọng trong xử lý không gian Mặt khác, vị trí (toạ độ x, y) của mỗi một điểm nối, điểm giao cắt cũng được xác định các thuộc tính đó cũng được thống kê rõ ràng trong bảng PAT và AAT giúp cho người phân tích dễ dàng xử lý các thông tin Trong thực tế, các tư liệu không gian là rất phức tạp, mô hình are-node là công cụ hữu hiệu cho việc xử lý Hiện nay các phần mềm ERSI-ARC/INF và INTERGRAPH đ−ợc xây dựng theo mô hình này, Trong khi đó, phần mềm MAP/ INFO không được xây dựng theo mô hình cung-điểm nên giao diện giữa chúng không tương thích

Việc tổ chức các yếu tố này ở hai dạng cấu trúc Raster và polygon là khác nhau Nhìn chung vị trí và thuộc tính thì được tổ chức tương đối giống nhau trongcả hai dạng cấu trúc dữ liệu, song tính chất không gian thì hết sức khác nhau

Trong xử lý không gian, các thông tin quan trọng nhất về hình học và tính chất tiếp giáp, chứa đựng và nối tiếp, cấu trúc Raster có hạn chế cơ bản là không thể hiện được mối quan hệ không gian Thay vào đó, cấu trúc Vector và đặc biệt là cấu trúc cung- điểm nối

có ưu điểm là cung cấp đầy đủ các thông tin thuộc tính của điểm, đường và vùng nên nó giúp cho việc xử lý không gian được rõ ràng và hiệu quả

2.2.7.5 Mô hình mạng (network model)

Trong mô hình mạng , các cung trở thành mạng được thể hiện trong mạng giao thông (đường sắt, đường bộ, đường không), mạng lưới điện , mạng thông tin, mạng ống gas, ống nước Các điểm nối trở thành các điểm nối, điểm dừng hoặc điểm giữa của mạng giống như hệ thống chạc 3 hoặc hệ thống van một cổng dẫn

Các điểm đó là nơi để dừng hoặc tiêp nhận các đối tượng hoặc đưa ra các đối tượng cần lưu thông , tương tự các điểm dừng xe, bến đổ, nơi chuyển tải Trung tâm của mạng

là nơi chuyển tải nguồn cung cấp hoặc là nơi có những hoạt động có tính chất cung ứng cho mạng như: siêu thị, bệnh viện, sân bay, trường học… ở qui mô lớn hơn trung tâm có thể là cả một thành phố cung cấp , chuyển tải cho cả một vùng rộng lớn Như vậy điểm liên hệ trong mạng là những đầu mối và các đường dẫn và mối liên hệ đó có hướng nhất định theo các điểm quay - đổi chiều Tóm lại những tính chất như đường nối , điểm nối ,

các điểm dừng , các trung tâm và các điểm quay là những thông tin thuộc tính của mô hình mạng CSDL vector Còn một tính chất khác của mạng là sự cản trở (tương tự điện trở của mạch điện) Sự cản trở bởi khối lượng thông tin được truyền và thời gian truyền tải Sự cản trở có liên quan đến nhiều yếu tố của mạng, đồng thời có liên quan đến cả năng lượng truyền Trong mạng của HTTĐL với dữ liệu vector , những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến sự liên kết trong mạng đó là yếu tố hình học và sự nối tiếp Ngoài ra các thuộc tính khác của đối tượng cũng phải được bố trí hợp lý cho từng mạng

2.2.7.6 Chuyển đổi khuôn dạng dữ liệu

Trong xử lý HTTĐL, ngoài việc chuyển đổi khuôn dạng dữ liệu (format) với các phần mềm khác thì một trong những chức năng quan trọng cần thiết là chuyển đổi từ vector sang Raster và ngược lại Chức năng này cho phép sử dụng một cách linh hoạt những lớp thông tin có sẵn trong CSDL hoặc các lớp thông tin mới tạo nên để đưa vào xử

lý nhanh chóng trong hệ thống

Chuyển đổi dữ liệu thành Raster (Raster hoá) (Rasterisation hay Rasterising) là quá trình chuyển đổi dữ liệu từ cơ sở pixel sang dạng vector Công việc này rất cần thiết cho nhiều mục đích, Khi mà các đường contour của vector cần thiết được xử lý phối hợp với tài liệu Raster

Để Raster hoá cần thiết phải tạo lưới với độ phân giải (kích thước pixel) thích hợp lên toàn bộ bản đồ và tính gia trị pixel bằng việc lựa chọn các vùng mẫu tại nơi giao nhau của các đường vector hoặc nơi tiếp giáp của các polygon, từ đó gắn giá trị các pixel tại nơi tiếp giáp, sao cho nó phân biệt hẳn với các pixel ở xung quanh Nếu vector hoá với độ phân giải thấp thì sẽ làm giảm độ chính xác của bản đồ đôi khi làm rối các đường contour

Nguyên nhân của việc làm rối, sai lệch các đường là do lựa chọn độ phân giải không thích hợp hoặc chọn vùng mẫu của lưới chưa đúng vị trí Tuy nhiên, trong thực tế

áp dụng các chức năng này đã có sẵn trong các phần mềm nên khi áp dụng người sử dụng

ít phải can thiệp và khi cần thiết thì thao tác; quan trọng là xác định độ phân giải và vị trí các ô lưới

Chuyển dữ liệu Raster thành vector (vector hoá) có nhiều phương pháp vector hoá Công việc này chỉ thực hiện một khi tài liệu gốc có ở dạng Raster (ví dụ như ảnh vệ tinh hoặc các bản đồ nội suy) trong quá trình phân tích lại đòi hỏi ở dạng vector Vector hoá chỉ thực hiện được, một khi chiều rộng của dải pixel được xác định và có đường nối giữa

các pixel đó với nhau Vector hoá là một quá trình xử lý tỉ mỉ, nó đòi hỏi phải có sự xem xét và điều khiển quá trình xử lý, đặc biệt là ở những chổ tiếp nối Trong quá trình hai việc phải làm là: tẩy sạch rìa của các đối tượng có chức năng tạo nên đường biên giới Kết quả là các đối tượng này trông sắc nét dạng răng cưa vuông Quá trình tẩy rửa được thực hiện theo chiều kim đồng hồ Quá trình tẩy cũng cho phép bổ sung các toạ độ của các pixel một cách rõ ràng để phục vụ cho việc định vị các đường vector được lập

Hình 2.9 chuyển đổi Raster và véctơ Nối các pixel bằng đường chạy qua chúng Đây là quá trình xử lý đơn giản

giống như việc số hoá Quá trình này được thực hiện lần lượt, khi gặp vị trí có sự chuyển thành nhiều hướng thì đó là các điểm Quá trình này có sự can thiệp của người điều hành thì kết quả sẽ tốt hơn Cũng cần lưu ý rằng chức năng vector hoá chỉ nên áp dụng một khi cần thiết

Do dữ liệu Raster thường chiếm khối lượng lớn nên cần thiết phải có các phương pháp nén dữ liệu Có một số khái niệm nén số liệu phổ biến như sau:

Mã hoá chạy theo dòng ( run lengh code)

Mã hoá theo chuỗi mắt xích ( chain codes)

Mã hoá theo khối ( bloch codes )

Mã hoá theo cách chia thành 4 ô nhỏ (quadtrees )

Nếu so sánh thì độ chính xác của dữ liệu vector cao hơn Raster Tuy nhiên dù sao khái niệm độ chính xác của các đối tượng trong HTTĐL vẫn chỉ là tương đối Trong quá trình xử lý theo mô hình không gian thì sự phối hợp giữa hai dạng tư liệu là điều cần thiết

và là tất nhiên

2.3 Hệ thống máy bay chụp ảnh không người lái TRIMBLE UX5

2.3.1 Giới thiệu chung

Hình 2.10: Hệ thống TRIMBLE UX5

Máy bay chụp ảnh hàng không TRIMBLE UX5 là loại máy bay không người lái, kiểu máy bay này thường được gọi là máy bay điều khiển từ xa Máy bay TRIMBLE UX5

sẽ được lập trình trước về chuyến bay, cất cánh, quá trình bay, hạ cánh mà giảm thiểu tối đa sự can thiệp của con người

2.3.2 Các thành phần chính của Hệ thống TRIMBLE UX5 bao gồm:

2.3.2.1 Máy bay TRIMBLE UX5

Máy bay TRIMBLE UX5 bao gồm bộ thân vỏ và eBox Bộ phận eBox có thể tháo lắp được chứa đựng máy tính điều khiển bay tự động có hệ thống các sensor cảm biến con quay hồi chuyển, độ cao áp xuất, trượt quán tính, tốc độ gió cùng với GPS 1 tần 12 kênh,

bộ thu phát sóng radio sóng điều khiển eBox được kết nối với Ăng ten GPS và Ăng ten radio kết nối với trạm điều khiển mặt đất để điều khiển máy bay trong khi bay

2.3.2.2 Camera

Camera này có nhiệm vụ chụp ảnh trong suốt chuyến bay, với độ phân giải cao 16.1 megapixel sử dụng cảm biến ASP-C cho độ nét cao và chi tiết Dải màu chuẩn RGB bao gồm một bộ lọc UV HAZE 1

2.3.2.3 Trạm điều khiển mặt đất

Trạm điều khiển mặt đất GCS (Ground Control Station) được sử dụng để điều khiển máy bay TRIMBLE UX5 từ mặt đất Nó bao gồm một máy tính Tablet cầm tay siêu bền chạy phần mềm Trimble Access Aerial Imaging Một modem được kết nối với Tablet

để bật tín hiệu radio để kết nối với máy bay

2.3.2.4 Bệ phóng

Bệ phóng là một thiết bị dùng để phóng máy bay TRIMBLE UX5 một cách an toàn theo hướng cất cánh

2.3.2.5 Tracker/Bộ phận phát và nhận tín hiệu dò tìm khi máy bay hạ cánh không đúng vị trí thiết kế:

Bộ phận thu phát tín hiệu bao gồm một thiết bị truyền tín hiệu được lắp đặt trong thân máy bay TRIMBLE UX5 và một thiết bị nhận tín hiệu Khi được yêu cầu, thiết bị nhận tín hiệu được sử dụng để thu (theo dõi) tín hiệu của bộ phận phát nhằm định vị vị trí

hạ cánh chính xác loại thiết bị thu nào được sử dụng tùy thuộc vào quốc gia mà hệ thống được phép hoạt động

có thể hoàn thành việc lập bản đồ trên một diện tích rộng

Từ năm 1999 trở lại đây, ngành Địa hình quân sự đã có những bước tiến vượt bậc trong việc ứng dụng thành công các công nghệ mới với sự trợ giúp của công nghệ thông tin vào lĩnh vực thành lập bản đồ Một trong những công nghệ tiên tiến đó là công nghệ ảnh số Với việc áp dụng công nghệ này, cùng với chất lượng bay chụp ảnh ngày càng được nâng cao thì độ chính xác của các loại bản đồ luôn có độ tin cậy cao, thuận tiện cho việc sử dụng đa mục đích cũng như công tác lưu trữ tư liệu Công nghệ ảnh số sẽ giúp thành lập bản đồ một cách nhanh nhất với độ chính xác cao, cho phép tạo dữ liệu nền thống nhất trong quản lý thông tin địa lý quân sự

Bản đồ địa hình tỷ lệ 1/2.000 thành lập bằng công nghệ ảnh số được thực hiện trên các thiết bị của trạm ảnh số Intergraph với các phần mềm xử lý ảnh, nắn ảnh, lập mô hình

số địa hình (DTM), số hóa bản đồ Trong đó, các yếu tố đặc trưng địa hình được đo vẽ chi tiết trên mô hình lập thể hoặc bằng công nghệ toàn đạc điện tử và tiến tới là công nghệ quét độ cao địa hình Lidar; các yếu tố địa vật được đo vẽ trên nền bình đồ ảnh số bằng công nghệ tin học, sử dụng các phần mềm chuyên dụng (Microstation, IrasB, IrasC, Geovec v.v.) để số hoá, biên tập nội dung bản đồ Dữ liệu được lưu trữ đa dạng, tạo cơ sở

để xây dựng mô hình số mặt đất

Từ ảnh chụp bằng hệ thống thiết bị máy chụp ảnh quang cơ và tiến tới là máy chụp ảnh số, dây chuyền công nghệ ảnh số hiện nay cho phép xây dựng bình đồ trực ảnh số làm tài liệu để hoàn thiện nội dung bản đồ địa hình tỷ lệ 1/2.000 Bình đồ ảnh số hay bản đồ ảnh

là sản phẩm có tính khách quan tự nhiên cao, từ tổng thể đến chi tiết hình dạng, kích thước địa vật, dáng địa hình, thực phủ, thuỷ hệ, ranh giới, hệ thống giao thông, tương ứng với độ phân giải và tỷ lệ bay chụp, đáp ứng được độ chính xác của bản đồ ảnh được thành lập

Để có bình đồ ảnh tốt, chất lượng bản đồ đảm bảo độ chính xác cao đạt mục đích yêu cầu đề ra, công tác bay chụp phải đi trước 1 bước

Năm 2010, được sự cho phép của Thủ trưởng Bộ Quốc phòng, Bộ Tổng Tham mưu

và trực tiếp là Cục Bản đồ, Công ty TNHH MTV Trắc địa Bản đồ đã đầu tư hệ thống máy chụp ảnh hàng không số Vexcel UltraCamX hiện đại bậc nhất trên thế giới tại thời điểm

đó của hãng Microsoft UltraCamXp cho phép chụp ảnh số với số lượng không hạn chế, cùng với hệ thống lưu trữ di động DXp lên đến 4.2 TB có thể lưu trữ tới 6600 tấm ảnh dạng số với kích thước lên đến 196 MegaPixels Các tính năng chính của UltraCamXp bao gồm:

- Máy ảnh số khổ lớn nhất trên thị trường (196 MP; 17310x11310 pixel) cho phép giảm thiểu số dải bay, thời gian bay và chi phí bay chụp

- Thời gian chụp ảnh nhanh nhất, cho phép chụp ảnh ở độ cao thấp với độ phủ ngang lớn và độ phân giải mặt đất lớn nhất

- Thiết bị lưu trữ di động giúp quá trình bay chụp chỉ phụ thuộc vào năng lực của máy bay và giảm thiểu được thời gian xử lí nội nghiệp

- Tương thích với các thiết bị thông dụng: hỗ trợ tất cả các hệ thống gá chống sốc (PAV-30, Z/I T-AS, GSM3000) và các hệ thống GPS/IMU hiện có

- Độ phân giải mặt đất (GRD) với độ cao bay 500 m là 2.9 cm (1.8 cm ở độ cao bay

300 m)

- Ảnh màu thực Pan Sharpening và ảnh màu hồng ngoại

Hệ thống máy chụp ảnh UltraCamXp có gắn thiết bị GPS/IMU cho phép xác định trực tiếp các yếu tố định hướng ngoài của tấm ảnh với độ chính xác rất cao, nhờ đó có thể giảm tối đa các điểm khống chế ảnh mặt đất Do đó, UltraCamXp xứng đáng được lựa

chọn cho các ứng dụng đo vẽ bản đồ bằng công nghệ ảnh hàng không số với chi phí hiệu quả và độ tin cậy cao

Năm 2014 Cục Bản đồ và Công ty TNHH MTV Trắc địa Bản đồ đã đầu tư hệ thống máy chụp ảnh hàng không bằng máy bay không người lái (UAV) Các tính năng chính của máy bay không người lái TRIMBLE UX5 bao gồm:

3.1.1.1 Chuẩn bị cho nhiệm vụ bay và chuyến bay:

Một nhiệm vụ bay bao gồm một hoặc nhiều chuyến bay trong vùng cần bay chụp Phần lập kế hoạch bay được chuẩn bị trong phòng Số lượng chuyến bay cho mỗi nhiệm

vụ được ước tính bởi phần mềm và phụ thuộc vào diện tích khu vực cần bay chụp

Một Chuyến bay được gọi là một lần bay trong vùng cần bay chụp Chuyến bay được lập kế hoạch ngoài thực địa

Các bước cơ bản của nhiệm vụ bay:

a Lập kế hoạch nhiệm vụ bay:

Xác định khu vực của nhiệm vụ bay, bổ sung lớp bản đồ nền cho vùng đó

Xác định độ phân giải của ảnh cần chụp và độ cao bay an toàn tại khu chụp

Phần mềm sẽ tính toán số lượng chuyến bay cần thiết để bao phủ khu vực bay chụp, số lượng chuyến bay ít hay nhiều phụ thuộc vào diện tích khu đo

Kiểm tra giấy phép bay, chế độ thời tiết và khu vực bay để có kế hoạch phù hợp Trước khi ra thực địa cần kiểm tra tất cả các thiết bị xem có hoạt động tốt không,

có bị hỏng hóc gì từ chuyến bay trước hay không và tất cả pin phải được sạc đầy

b Lập kế hoạch cho mỗi chuyến bay:

Kiểm tra hướng gió, xác định vị trí cất cánh, hạ cánh Hoàn tất việc kiểm tra các

điều kiện bay trong checklist để chắc chắn rằng hệ thống đã sẵn sàng

c Tiến hành bay:

Sau khi phóng máy bay, chuyến bay được theo dõi bằng trạm kiểm soát mặt đất Khi máy bay hạ cánh, hoàn thành các thủ tục trong checklist sau khi kết thúc chuyến bay

để truyền dữ liệu vào Tablet

d Phân tích và xuất dữ liệu:

Thông tin về chuyến bay, ảnh được phân tích và đồng bộ hóa, xuất ra dưới định

dạng file phù hợp cho quá trình xử lý ảnh

e Xử lý ảnh:

Dữ liệu thu thập được của chuyến bay được xử lý bằng modul xử lý ảnh trong phần

mềm Trimble Business Center

Sử dụng bản đồ online Nhập tên vị trí khu vực cần thiết kế, bản đồ sẽ hiển thị khu

vực xung quanh vị trí đó Download bản đồ

Bản đồ được tải về bao gồm cả vùng đệm xung quanh, được sử dụng như là một bản đồ offline Diện tích lớn nhất mà có thể download về là 15 km x 10 km (9.3 miles x 6.2 miles)

Khi download bản đồ thì lớp (layer) bản đồ online sẽ tự động ẩn đi và bản đồ offline được hiển thị Bản đồ vừa được download này sẽ đè lên bất kì bản đồ offline nào khác bao gồm cả file GeoTiff import vào Bản đồ được download về hoạt động tương tự như bất kì bản đồ offline nào khác – có thể zoom và xem chi tiết

Có thể sử dụng bản đồ riêng đã chuẩn bị trước đó bằng phần mềm ví dụ như

Trimble Business Center

Xác định các thông số cho nhiệm vụ:

Vẽ một đa giác bao trùm khu vực nhiệm vụ trên bản đồ, phần mềm sẽ ước tính số lượng chuyến bay cần thiết để bao phủ khu vực nhiệm vụ, số lượng chuyến bay phụ thuộc vào diện tích khu vực nhiệm vụ

Thiết lập độ phân giải mặt đất (GSD-Ground Sample Distance) từ 2,4cm đến 24cm Giá trị mặc định là 3.2cm (1.3”) với độ cao bay tương ứng là 100m (328 ft), cụ thể như bảng sau: