Khảo sát một số phương pháp xây dựng mô hình số địa hình và ứng dụng của chúng

Trong phạm vi kiến thức có hạn, tài liệu tham khảo còn hạn chế, luận văn với đề tài “Khảo sát một số phương pháp xây dựng mô hình số địa hình và ứng dụng của chúng” cố gắng giới thiệu về

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

NGUYỄN TUẤN TRUNG

KHẢO SÁT MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG MÔ HÌNH SỐ ĐỊA HÌNH

HÀ NỘI – 2011

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn “Khảo sát một số phương pháp xây dựng mô hình số địa hình và ứng dụng của chúng” là trung thực và chưa hề sử dụng để bảo vệ một học vị nào Tôi cũng xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc

Tác giả

Nguyễn Tuấn Trung

2.5.5 Xây dựng MHSĐH bằng ứng dụng công nghệ RADAR độ mở tổng hợp

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu Tiếng Anh Tiếng việt

DEM Grid Network Triangular Irregular Network Light Dectection And Ranging Interferometry Synthetic Apenture Radar

Interferometry Synthetic Apenture Radar

Shuttle Radar Topography Mission Inertial Navigation System

Inertial Measurment Units Universal Transcator Median Global Position System Differential Global Position System Geographic Information System Topology

Kilometer Meter Milimeter Micrometer Nanometer

Công nghệ độ mở tổng hợp giao thoa

Thiết bị đo SRTM (LiDAR) Thiết bị đo đạo hàng quán tính Thiết bị đo đạo hàng quán tính Phép chiếu UTM

Hệ thống định vị toàn cầu Định vị động DGPS

Hệ thống thông tin địa lý Quan hệ cấu trúc hình học

Ki lô mét Mét

Mi li mét

Mi cờ rô mét

Na nô mét

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang

Bảng 3.1 Bảng so sánh ưu, nhược điểm các phương pháp xây dựng MHSĐH [13] 52

DANH MỤC HÌNH VẼ

Trang

Hình 2.28 Vấn đề nội suy tự động từ phương pháp đo ảnh 40

Hình 3.18 Cách tính khối lượng đào đắp từ lưới TIN 65

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Mô hình số địa hình (MHSĐH) được định nghĩa là một mô phỏng bằng số về một phần hay bề mặt trái đất, không bao gồm các công trình nhân tạo và thảm thực vật MHSĐH là phần quan trọng trong các ứng dụng khoa học, dự báo, phân tích, thương mại, quản lý, các ứng dụng quân sự, xây dựng, giao thông, bản đồ, lâm nghiệp, thủy lợi, truyền tải điện, quy hoạch đô thị, theo dõi biến động, trò chơi giải trí vv Như vậy MHSĐH ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, đóng vai trò quan trọng xung quanh cuộc sống hàng ngày của chúng ta

Trở lại thời gian trước, khái niệm MHSĐH được xây dựng là các sa bàn bằng đất hay nhựa, nơi các nhà chiến lược quân sự có thể bầy binh, bố trận, thậm chí còn

dự báo về các chiều gió, chiều của nước chảy để phục vụ cho chiến thuật của mình Nhiều năm sau đó với sự ra đời của máy tính (khoảng 1950), MHSĐH được mô phỏng bằng số trên máy tính thay sa bàn cũ, có thể ứng dụng trong nhiều mục đích khác nhau trong lĩnh vực khoa học Vào năm 1958, Miller và Flammme thuộc Viện Công nghệ Massachussetts (Mỹ) đã đặt nền móng và phát triển các ứng dụng MHSĐH trong rất nhiều lĩnh vực khoa học địa lý và khoa học xây dựng – giao thông với các ứng dụng tự động hóa một phần trong thiết kế xây dựng giao thông Tuy nhiên, phải đến khoảng 30 năm gần đây nhờ sự phát triển của công nghệ máy tính, công nghệ đồ họa và đặc biệt công nghệ xử lý ảnh số phát triển, sự hoàn thiện của công nghệ quản lý thông tin địa lý (GIS), MHSĐH mới thực sự là cơ sở cho các lĩnh vực khoa học khác ứng dụng như đo đạc bản đồ, theo dõi cảnh báo nguy cơ xói

lở, ngập lụt, mô hình phát tán ô nhiễm, quản lý đa dạng sinh học, khai thác mỏ…vv

Ở nước ta hiện nay, xây dựng và ứng dụng của MHSĐH vẫn là ngành khoa học phụ thuộc vào công nghệ nước ngoài Dữ liệu xây dựng MHSĐH được thu thập

từ nhiều nguồn khác nhau, không đồng bộ và thiếu sự liên kết ứng dụng giữa các ngành nghề khoa học, phát triển đơn lẻ, tiếp cận còn nhiều hạn chế

Chẳng hạn trong khảo sát thiết kế giao thông ở nước ta hiện nay, sử dụng bản

đồ địa hình có sẵn tỷ lệ 1:25.000 đến 1:50.000 cho việc thiết kế, việc nghiên cứu thiết kế gặp không ít khó khăn do bản đồ địa hình tỷ lệ trên đã bị khái quát hóa nhiều, thông tin về địa hình không được cập nhật kịp thời, bản đồ được lưu trữ dưới dạng tương tự (giấy), không đáp ứng được yêu cầu công nghệ tự động hóa thiết kế giao thông Do vậy, sử dụng các bản đồ giấy sẽ làm giảm hiệu quả của công tác thiết kế, tiến độ chậm, tốn nhiều công sức, không sử dụng công nghệ tiên tiến trong thiết kế MHSĐH đóng vai trò lớn trong các ngành phục vụ thúc đẩy kinh tế xã hội, việc sử dụng MHSĐH cho phép chúng ta tạo ra được mô hình trực quan, có thể tự động hóa, hiệu quả hơn, tiến độ nhanh hơn, đòi hỏi ít công sức hơn

Câu hỏi đặt ra ở đây là có bao nhiêu phương pháp xây dựng MHSĐH ở nước

ta hiện nay và ứng dụng của MHSĐH trong các ngành khoa học như thế nào?

Trong phạm vi kiến thức có hạn, tài liệu tham khảo còn hạn chế, luận văn với

đề tài “Khảo sát một số phương pháp xây dựng mô hình số địa hình và ứng dụng của chúng” cố gắng giới thiệu về các phương pháp xây dựng MHSĐH hiện nay và

vai trò MHSĐH trong các ngành nghề thực tế

2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu các phương pháp xây dựng MHSĐH từ các nguồn dữ liệu đo đạc trực tiếp, ảnh viễn thám, công nghệ RADAR, IfSAR và ứng dụng của chúng trong các nhành khoa học Trong phạm vi luận văn, nghiên cứu và đánh giá kết quả xây dựng MHSĐH bằng phương pháp đo đạc trực tiếp và ứng dụng trong ngành khảo

sát thiết kế giao thông qua kết quả thực nghiệm dự án khảo sát thiết kế “Dự án đầu

tư xây dựng nâng cấp mở rộng Quốc lộ 24” đã thực hiện năm 2010

3 Mục đích nghiên cứu

Ở một mức độ khiêm tốn, nước ta vẫn đang xây dựng và nghiên cứu các ứng dụng của MHSĐH Sự liên kết giữa các đơn vị sản xuất, nghiên cứu và ứng dụng vẫn chưa thực sự phối hợp và tiếp xúc lĩnh vực này còn nhiều hạn chế

Mục đích nghiên cứu trong luận văn đề cập tới một số phương pháp xây dựng MHSĐH và tính ưu việt của chúng Phân tích khả năng ứng dụng MHSĐH trong các ngành ứng dụng ở nước ta như xây dựng, giao thông, lâm nghiệp, thủy lợi, khí tượng thủy văn, địa chất

4 Nội dung của đề tài

Để đạt được mục đích nghiên cứu đã đề ra trong luận văn, các nội dung được nghiên cứu bao gồm:

- Quy trình xây dựng MHSĐH bằng các phương pháp xây dựng hiện có ở nước ta, có tham khảo các công nghệ xây dựng MHSĐH mới ở các nước phát triển Tìm hiểu cấu trúc biểu diễn MHSĐH hay dùng, thông qua các mô hình toán học ứng dụng để nghiên cứu các yếu tố địa hình phục vụ cho các ngành khoa học nghiên cứu về bề mặt trái đất Nghiên cứu một số phương pháp xây dựng MHSĐH trên thế giới và nước ta đang áp dụng hiện nay như: đo đạc trực tiếp, số hóa đường bình độ từ bản đồ có sẵn, đo ảnh hàng không và phương pháp hiện đại LiDAR và ifSAR

- Từ khả năng ứng dụng, ưu nhược điểm của các phương pháp xây dựng MHSĐH hiện có, nghiên cứu khả năng ứng dụng trong các ngành đo đạc bản

đồ, xây dựng giao thông, thủy văn khí tượng, quân sự

- Trong giới hạn nghiên cứu của luận văn và dữ liệu thu thập được từ một số đơn vị hạn chế nên chỉ thực hiện kiểm chứng một phần trong xây dựng MHSĐH, bằng phương pháp đo đạc trực tiếp ngoài thực địa và ứng dụng trong phần khảo sát thiết kế giao thông Phần thực nghiệm xây dựng và ứng dụng của MHSĐH đã được áp dụng trong sản xuất ở bước lập dự án đầu tư

“Dự án đầu tư xây dựng nâng cấp mở rộng Quốc lộ 24” năm 2010

5 Phương pháp nghiên cứu

Để đạt được mục đích yêu cầu đề ra, phương pháp nghiên cứu của luận văn

là kế thừa thành quả nghiên cứu về MHSĐH ở trên thế giới và trong nước Sử dụng

thành quả thực nghiệm hay một số dự án đã thực hiện trong nước để so sánh, phân tích kiểm chứng các phương pháp xây dựng MHSĐH và ứng dụng của chúng

6 Ý nghĩa khoa học thực tiễn của đề tài

Trong những năm gần đây, đối với ngành giao thông sử dụng nhiều MHSĐH trong lĩnh vực tự động hóa khảo sát thiết kế của mình Nhiều hãng phần mềm (AutoDESK, Hài Hòa…) đã phát triển từ giai đoạn xây dựng MHSĐH cho đến ứng dụng để tự động thiết kế tuyến đường với các tiêu chuẩn thiết kế được định nghĩa trước như: độ dốc dọc lớn nhất, bán kính cong tối thiểu, khối lượng đào đắp ít nhất, giải phóng đền bù ít nhất…Sử dụng MHSĐH đã xây dựng và các thông tin đầu vào

là tiêu chuẩn thiết kế, công cụ sẽ tự động tìm tuyến tối ưu đề ra, vẽ tự động đường đồng mức bản đồ, tự động vẽ mặt cắt dọc, cắt ngang tuyến và lập báo cáo về công tác thiết kế một cách nhanh chóng, chính xác

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành được nhiệm vụ của mình trong thời gian học tập và nghiên cứu tôi đã may mắn được cùng học tập với tập thể lớp Bản đồ, viễn thám và hệ thống Thông tin Địa lý, khóa 12 Trường Đại học Mỏ Địa chất Hà nội, cùng với sự giúp đỡ tận tình của các bạn tôi đã có một môi trường học tập tốt hơn hết Xin cám

ơn các bạn

Luận văn này được hoàn thành dưới sự giúp đỡ chỉ bảo tận tình của tập thể Thầy cô trong giai đoạn học tập: PGS.TS Phạm Vọng Thành, PGS.TS Trần Đình Trí, TS Trần Vân Anh, TS Đoàn Xuân Hương…Xin cám ơn tập thể Thầy cô

Tác giả luận văn

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH SỐ ĐỊA HÌNH 1.1 Tình hình nghiên cứu xây dựng mô hình số địa hình ở nước ngoài

Mô hình số địa hình (MHSĐH) mô phỏng một phần hay bề mặt trái đất dưới dạng số hóa Trước đó khái niệm mô hình địa hình được mô phỏng là mô hình vật

lý làm từ cao su, nhựa, đất sét hay cát…nhằm phục vụ cho các yêu cầu về quân sự,

về quy hoạch, cảnh quan kiến trúc và các công trình xây dựng, hay các lĩnh vực nghiên cứu khác Hải quân Mỹ đã từng tạo ra nhiều mô hình địa hình phục vụ trong Thế chiến lần II bằng cao su, như trận chiến Bafisfore vào năm 1957

Từ cuối năm 1950, MHSĐH đầu tiên được Viện Công nghệ Massachussetts (Mỹ) giới thiệu trong máy tính, đến năm 1957 mới được Roberts số hóa mô hình địa hình và là người đầu tiên đưa ra các công cụ hỗ trợ từ MHSĐH phục vụ cho công tác thiết kế giao thông [13]

Năm 1958, Miller và Laflamme thuộc Viện Công nghệ Massachussetts (Mỹ)

đã phát triển và thực hiện công tác tự động thiết kế giao thông như vẽ được mặt cắt dọc dạng số (digital profile data) theo tuyến vạch sẵn và các trợ giúp khác phục vụ cho công tác thiết kế Đồng thời họ cũng đưa ra cơ sở và khái niệm về MHSĐH, dùng nó để quan trắc bề mặt trái đất phục vụ trong quan trắc lún, xói mòn từ ảnh hàng không Trải qua hơn 30 năm phát triển MHSĐH đã phát triển theo các giai đoạn như sau:

- Năm 1950 đến năm 1960: nghiên cứu khái niệm về MHSĐH và ứng dụng

- Từ năm 1960 đến năm 1970: MHSĐH đã phát triển mạnh và được xây dựng trong các ngành viễn thám quốc tế

- Trong giai đoạn 1970 đến năm 1980: đã có nhiều công trình nghiên cứu về phương pháp nội suy MHSĐH từ các MHSĐC (mô hình số độ cao) như: Scuts (Mỹ) đưa ra phương pháp nội suy MHSĐH từ các MHSĐC xấp xỉ bề mặt cong

trung bình năm 1976, Ebner (Đức) nội suy bằng phần tử giới hạn, Arthur và Hardly (Mỹ) đề ra phương pháp nội suy hàm đa diện, Kraus và Mikhail (Nga) phương pháp nội suy bằng nguyên lý số bình phương nhỏ nhất Makarovic là người tiêu biểu nghiên cứu về lấy mẫu tiệm cận

- Giai đoạn từ 1980 đến nay các công trình nghiên cứu đã phát triển mạnh trong lĩnh vực: xây dựng mô hình, nghiên cứu sâu về độ chính xác biểu diễn MHSĐH, phân loại MHSĐH, thu thập số liệu, tìm kiếm sai số thô, kiểm soát chất lượng, nén và lưu trữ số liệu, tìm kiếm ứng dụng mở rộng của MHSĐH, độ chính xác và biểu diễn MHSĐH theo lưới tam giác không quy chuẩn…[10] Hơn 30 năm phát triển kể từ khi Rapior và Bopp (1975) đặt cơ sở MHSĐH phát triển trong máy tính IBM dưới tên gọi “Evaluation Digital Models”, dựa trên thuật toán nội suy số bình phương nhỏ nhất hàm đa thức bề mặt địa hình, các công

ty phần mềm còn nghiên cứu phát triển các ứng dụng cho đến ngày nay như:

- Chương trình SCOP (Stuttgart coutour Program) do K.Kraus (năm 1973), F.Ackermann (1978), E.Assumb (1982); Stuttgard, Đức phát triển

- Chương trình Hifi (Height Interpolation with Finite Elements) do H.Ebner (năm 1980), do H.Ebner và F.Reib (năm 1984); Zeiss, Oberkochen, Đức phát triển

- Chương trình TASH (Topographic Surveying and Eluation System Hannover)

do J.Kruse (năm 1979); Hannover, Đức phát triển

- Chương trình SORA phát triển Đại học Vienna, Áo

- Chương trình CIP của Đại học Zurich, Thụy sĩ

- Chương trình GPM_system (Gestalt Photo Mapper) do R.Kelly (1977) và A.A.Elassal (1978), Mỹ (US Geological Service) phát triển Chương trình TSD (Topographical Survey Division) do M.M.Allam (1978), Canada phát triển Trải qua hơn 30 năm, MHSĐH đã được nghiên cứu cùng với sự phát triển của các ngành công nghệ máy tính, công nghệ bản đồ, công nghệ viễn thám đã đạt được những thành tựu đáng kể, đóng góp phần quan trọng trong phát triển nền kinh

tế, ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khoa học để có thể tự động hóa công tác nghiệp vụ, dữ liệu có thể lưu trữ và dùng trong các ngành GIS phục vụ cho các nghành khoa học khác nhau:

- Ngành bản đồ: nội suy tự động các đường đồng mức, nắn ảnh trực giao Viễn thám, trực quan cho bản đồ chuyên đề về độ cao, độ sâu…vv

- Ngành quân sự: mô hình hóa tự động về sa bàn quân sự, hướng dẫn tự động cho đường đi của đạn đạo, tên lửa…vv

- Ngành giao thông: tự động hóa tìm tuyến theo tiêu chuẩn thiết kế, đưa các phương án so sánh về khối lượng đào đắp tối ưu, mô hình hóa cảnh quan sau khi đã tự động thiết kế…vv

- Ngành quy hoạch và kiến trúc: tự động hóa quy hoạch xây dựng, dự báo các chỉ

số xã hội sau khi quy hoạch, lập cảnh quan, thiết kế mương tưới tiêu…vv

- Ngành Môi trường và các nghành khoa học khác: dự đoán xói mòn từ núi lửa, đánh giá tác động của môi trường…vv

Hệ thống thông tin địa lý GIS được biết đến từ những năm 1960 và được phát triển mạnh khoảng 10 năm gần đây (1990), các dữ liệu MHSĐH trở thành dữ liệu thiết yếu, là cơ sở hạ tầng không thể thiếu trong dữ liệu hạ tầng quốc gia (NSDI: National Spatial Data Infrastructure) tại các nước phát triển: Mỹ, Đức, Anh,

Úc, Trung Quốc…vv

Mặc dù cộng đồng khoa học và thị trường thương mại trên thế giới ngày càng nhận thức được tầm quan trọng của MHSĐH và mong muốn phát triển để có thể sử dụng rộng rãi Nhưng các ứng dụng vẫn còn bị hạn chế do sự tiếp cận các dữ liệu MHSĐH còn khó khăn vì giá thành cao, vấn đề bí mật quân sự Dữ liệu toàn cầu miễn phí có thông tin địa hình khái quát, độ phân giải mặt cầu có mật độ điểm độ cao quét thưa (mắt lưới kích thước xấp xỉ 1.0 x 1.0km), độ chính xác cao độ bề mặt khoảng 100m, không đáp ứng được các nhu cầu của phân tích không gian chi tiết Hơn nữa, dữ liệu MHSĐH được lấy từ các nguồn khác nhau, nên dữ liệu MHSĐH

toàn cầu là không đồng nhất, chưa tương thích do độ phân giải, chi tiết, mật độ và

hệ quy chiếu Do vậy, hiện nay dữ liệu MHSĐH vẫn bị gián đoạn trong độ phủ, khác nhau về độ phân giải, độ chính xác, hệ quy chiếu và bởi cấu trúc dữ liệu đa dạng từ phương pháp xây dựng MHSĐH

1.2 Tình hình nghiên cứu xây dựng mô hình số địa hình ở nước ta

Kể từ khi nền khoa học nước ta được chú trọng phát triển và học tập từ nền công nghệ nước ngoài, lĩnh vực MHSĐH đã có nhiều nhà nghiên cứu quan tâm tuy nhiên vẫn chỉ dừng lại ở mức khai thác sử dụng từ các phần mềm, công nghệ của nước ngoài do hạn chế về mặt kinh phí và nhân lực đầu tư nghiên cứu Trong khi đó một vài nhóm độc lập tự tiến hành nghiên cứu và phát triển các chương trình nhỏ xây dựng MHSĐH, tuy nhiên cũng chỉ mang tính chất tự phục vụ trong nghành của mình, đây cũng là điều đáng mừng về khả năng mở rộng phát triển ứng dụng và triển vọng lớn nếu được quan tâm đầu tư nghiên cứu ở nước ta

Gần đây cùng với sự phát triển và sử dụng rộng rãi của công nghệ Hệ thống thông tin địa lý GIS trong các ngành khoa học, rất nhiều ứng dụng khai thác dữ liệu MHSĐH để phục vụ cho lĩnh vực, chẳng hạn như: dự báo thời tiết, cảnh báo thiên tai, quản lý dịch bệnh, quy hoạch cây nông nghiệp, trắc lượng hình thái địa hình…Ngoài ra ứng dụng MHSĐH còn phục vụ cho công tác lập bản đồ, vẽ đường đồng mức, nắn ảnh trực giao vệ tinh, lập quy hoạch đô thị, thiết kế và tính toán khối lượng đào đắp trong xây dựng và giao thông…vv

Mặc dù lĩnh vực MHSĐH phát triển ở nước ta còn khá mới, nhưng cũng có thể phân loại theo từng tổ chức nghiên cứu và khai thác:

- Các cơ quan nghiên cứu thuộc Bộ và các Trung tâm thuộc các trường Đại học

- Cơ quan nghiên cứu và quản lý, sản xuất thuộc các Bộ ngành

- Các dự án trong nước và các dự án Quốc tế

Gần đây, các tổ chức nghiên cứu tập trung nhiều vào việc xây dựng các MHSĐH từ các nguồn dữ liệu khác nhau, cho độ phân giải và độ chính xác khác nhau nhằm có thể ứng dụng chúng cho từng lĩnh vực cụ thể

Bộ Tài nguyên và Môi trường đã nghiên cứu đề tài ứng dụng MHSĐH như:

- Xây dựng MHSĐH bao phủ cho mục đích quản lý tài nguyên thiên nhiên

- Xây dựng MHSĐH bao phủ có độ chính xác cao, mục đích phục vụ cho công tác phòng chống lũ lụt, dự đoán sụt lở và bào mòn

Trong lĩnh vực đo đạc bản đồ với công nghệ bản đồ số hoặc ảnh chụp hàng không, MHSĐH được phát triển ứng dụng và đóng góp một phần trong công nghệ thành lập như: vẽ tự động đường đồng mức, nội sung bổ sung điểm cao độ từ MHSĐH Dự án thành lập MHSĐH sử dụng ảnh hàng không do Công ty Đo đạc Ảnh Địa hình thực hiện, bao gồm 34 mảnh (1:50.000) trên cơ sở sử dụng dữ liệu bản đồ phủ trùm của Trung tâm Thông tin, Bộ Tài nguyên và Môi trường

Xây dựng MHSĐH ở nước ta hiện nay sử dụng nguồn dữ liệu có sẵn chủ yếu

là bản đồ giấy, ảnh chụp hàng không cho phạm vi nghiên cứu lớn, vừa và với phạm

vi nghiên cứu nhỏ yêu cầu độ chính xác cao thường sử dụng phương pháp đo trực tiếp ngoài thực địa Đối với phương pháp xây dựng MHSĐH từ công nghệ LIDAR cho độ chính xác cao, phạm vi nghiên cứu rộng mới chỉ triển khai ở giai đoạn thực nghiệm theo dự án Phòng chống lụt tại Đồng bằng sông Cửu Long do Trung tâm Viễn thám Quốc gia thực hiện Hi vọng trong một tương lai gần, nước ta chú trọng

và đầu tư để có thể áp dụng rộng rãi công nghệ xây dựng MHSĐH bằng LIDAR, IFSAR, nhằm nâng cao độ chính xác mô hình, giảm giá thành sản xuất và thúc đẩy nền kinh tế phát triển

Trong ngành Khảo sát thiết kế giao thông việc xây dựng MHSĐH bằng công nghệ đo trực tiếp thực địa phục vụ cho ngành cũng được giới thiệu từ sớm, tuy nhiên giá thành xây dựng lớn chưa thực sự phù hợp với điều kiện kinh tế ở nước ta Năm 1997, tại Tổng công ty Tư vấn thiết kế Giao thông Vận tải, tổ chức INOVATION (Na uy) đã giới thiệu công nghệ xây dựng MHSĐH bằng phần mềm

NOVA, dữ liệu khảo sát đầu vào là đo trực tiếp ngoài thực địa bằng máy toàn đạc điện tử (TC2000), kết quả thu được là MHSĐH từ dữ liệu điểm đo và các công cụ kèm theo phục vụ cho công tác tự động vẽ đường đồng mức, tự động thiết kế tuyến đường tối ưu, tính toán khối lượng đào đắp, tạo cảnh quan (3D-view) khi thiết kế Tuy nhiên do đòi hỏi mật độ điểm dày phản ảnh đầy đủ đặc trưng của địa hình, chi phí sản xuất lớn nên công nghệ này ít được chú ý tới Mặc dù vậy, trên cơ sở công nghệ đã được chuyển giao với phần mềm NOVA-CAD phục vụ cho thiết kế và TOPO phục vụ cho công tác khảo sát địa hình của công ty Hài Hòa (Việt nam) đã phát triển và được sử dụng rộng rãi trong ngành, tuy vẫn còn nhiều hạn chế trong lĩnh vực xây dựng MHSĐH từ các nguồn dữ liệu khác nhau Những năm gần đây, với nhiều phần mềm hỗ trợ và máy móc thiết bị đo đạc phát triển và giá thành rẻ, một số đơn vị trong nghành đã tự phát triển các phần mềm và công nghệ của mình, nhưng chỉ mang tính chất tự phục vụ trong phạm vi hẹp, số liệu đầu vào và ra nhiều dạng khó chuyển đổi đồng nhất Điển hình năm 2004, trong nghành đã sử dụng tư liệu ảnh Quick bird để lập bản đồ 1:10.000 kết hợp đo GPS lập MHSĐH khu vực phục vụ cho công tác thiết kế khả thi Đường cao tốc Hà nội – Thái Nguyên, đoạn Thành phố Thái nguyên, đây cũng là công nghệ cần được xem xét và đầu tư trong ngành giao thông vận tải vì tính hữu dụng của công nghệ này

Ngành Xây dựng sử dụng MHSĐH để phục vụ cho công tác quy hoạch, tính khối lượng đào đắp san lấp mặt bằng, quy hoạch xây dựng thủy điện…

Tại Viện Địa lý đã nghiên cứu và phát triển rất sớm về MHSĐH trong ứng dụng phân tích và đánh giá điều kiện tự nhiên của vùng lãnh thổ, MHSĐH được xây dựng nhờ phần mềm của nước ngoài như: SUPPER, PCI từ bản đồ địa hình 1:1.000.000 với khoảng cách điểm mắt lưới 250m phục vụ cho mục đích đánh giá

sự xói mòn, cùng với sự hỗ trợ phân loại lớp phủ từ ảnh viễn thám độ phân giải trung bình Đặc biệt xây dựng MHSĐH từ các bản đồ tỷ lệ lớn từ các thành phố, khu vực: Huế, Tánh Linh, Bình Thuận, Thành phố Hạ Long có độ chính xác cao hơn với độ phân giải 30m, phục vụ cho mục đích quy hoạch môi trường

Tại Viện Điều tra quy hoạch rừng với ứng dụng trong hoạt động quy hoạch, quản lý, điều tra tài nguyên rừng của mình, MHSĐH thường được thành lập từ phương pháp số hóa bản đồ địa hình có sẵn từ tỷ lệ 1:50.000 và bé hơn

Viện Quy hoạch và Thiết kế Nông nghiệp sử dụng MHSĐH trong mục đích phân tích đánh giá sự tích hợp của điều kiện đất đai, canh tác, sử dụng đất của vùng

sự dụng đất và lưu vực sông đồng bằng châu thổ, quy hoạch cây trồng thích nghi với điều kiện độ cao và thời tiết

Viện Quy hoạch Thủy lợi ứng dụng MHSĐH để điều tra khu vực sông, mô hình dòng chảy, mô hình thiết kế và quản lý tưới tiêu, quy hoạch xây dựng đập hồ chứa nước, phòng chống lũ lụt

Cục Bảo vệ môi trường sử dụng MHSĐH để mô phỏng sự ngăn ngừa quá trình phát tán khí thải công nghiệp, lan truyền ô nhiễm trong môi trường, bảo tồn thiên nhiên Trung tâm khí tượng Thủy văn Quốc gia sử dụng để nghiên cứu và mô phỏng mô hình khí quyển, dòng chảy dự đoán thời tiết và thủy văn

Trung tâm Liên ngành Viễn thám và GIS, Công ty đo đạc Ảnh Địa hình xây dựng MHSĐH từ đo vẽ ảnh số, từ bản đồ địa hình, địa chính có sẵn để ứng dụng cho quản lý tài nguyên, xác định tuyến địa hình phân giới cắm mốc 3D cho biên giới Việt – Trung

Cục Địa chất và Khoáng sản sử dụng xây dựng MHSĐH trong việc lập bản

đồ hình thái địa hình, khái thác và quy hoạch khoáng sản, lập bản đồ quy hoạch và quản lý khoáng sản, dự báo trượt lở đất

Ngoài ra ở Trung tâm Viễn thám để phục vụ cho công tác hiện chỉnh bản đồ địa hình 1:50.000 bằng ảnh vệ tinh (chủ yếu là ảnh SPOT), đã xây dựng MHSĐH từ bản đồ địa hình 1:250.000, khoảng cao đều 150 m phủ trùm toàn quốc và với yêu cầu cụ thể có thể thực hiện được từ bản đồ địa hình tỷ lệ lớn 1:50.000 Hiện tại với thực nghiệm xây dựng MHSĐH bằng ảnh vệ tinh cho thấy độ chính xác của mô hình đạt độ về độ cao từ 4~5m (SPOT5) và đạt 7~8m khi sử dụng ảnh SPOT4

Chương 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG MHSĐH 2.1 Khái niệm mô hình số địa hình

2.1.1 Một số khái niệm cơ bản

Mô hình số địa hình (MHSĐH) là mô hình mô phỏng địa hình trái đất, khu

đo ở đó thể hiện độ cao của bề mặt thực trái đất, do đó không bao gồm thực vật và các địa vật nhân tạo trên đó MHSĐH là tập hợp bất kỳ sự liên kết các điểm trong tọa độ 3D (x, y, z), các điểm này mô tả trạng thái hình học bề mặt địa hình, các yếu

tố đặc trưng địa hình, là sản phẩm đầu vào tương thích cho các ứng dụng phần mềm chạy trên máy tính phục vụ cho nhiều lĩnh vực khoa học: địa mạo học, bản đồ học, khảo sát đo đạc, quan trắc biến dạng và đồng thời là cơ sở dữ liệu quan trọng trong

Hệ thống thông tin địa lý (GIS)

MHSĐH là mô hình mà người ta dùng số để mô tả bề mặt khu đo, bề mặt trái đất bằng các điểm và đường phân bố đều hoặc không đều Bề mặt này được hoàn thiện thêm bằng các yếu tố đặc trưng địa hình (các điểm ghi chú độ cao hoặc các đường đứt gãy) Các điểm và đường nói trên cùng với phép nội suy giữa chúng tạo

ra bề mặt địa hình Phổ biến hiện nay, biểu diễn MHSĐH là lưới phân bố đều dạng vuông hoặc chữ nhật với phép nội suy giữa chúng là song tuyến (Grid) và dạng tam giác không đều (Triangular Irregular Network: TIN) Một số khái niệm thường gặp liên quan đến MHSĐH như sau:

- DEM (Digital Elevation Model, Mỹ), DTEMs (Digital Terrain Elevation Models, Mỹ), DHM (Digital height Models, Đức) hay DGMs (Digital Ground Models, Anh) hay mô hình số độ cao là một thể hiện bao gồm MHSĐH trong máy tính, bao gồm cả cao độ của các thảm thực vật, và các công trình nhân tạo trên bề mặt [13] Như vậy, MHSĐH và MHSĐC thường được sử dụng thay thế cho nhau trong nhiều trường hợp Đối với hệ thống thông tin địa lý (GIS) ngày

càng phổ biến, người ta thường sử dụng DEM để làm cơ sở dữ liệu hơn do sự lưu trữ và cấu trúc dữ liệu của nó thuận tiện hơn

Hình 2.1 Mô hình số độ cao DEM

Hình 2.2 Mô hình DEM (trái) và DTM (phải)

- DSM (Digital Surface Model) mô hình số bề mặt, bao gồm độ cao mặt đất hay khu đo và tất cả thảm thực vật, địa vật nhân tạo trên nó, DSM và DEM là hai

mô hình thường vẫn sử dụng để khi bố trí cảnh quan, và các thiết kế quy hoạch

Hình 2.3 Mô hình số địa hình DTM và mô hình số bề mặt DSM

MHSĐH chủ yếu mô tả đặc trưng thay đổi của mặt đất, địa hình có thể thể hiện các yếu tố như độ dốc, diện mạo, độ ghồ ghề và các phân tích có thể nhìn thấy, đường phân tụ thủy

MHSĐH khi xây dựng dựa trên cơ sở của mô hình toán học và phụ thuộc nhiều vào độ chính xác điểm đo, phân bố mật độ điểm đo Với yêu cầu cần lấy vị trí điểm đo nằm trong phạm vi mô hình và khác với vị trí điểm đo phải dùng phương pháp nội suy toán học trên bề mặt MHSĐH Như vậy, MHSĐH [6] sẽ hoàn thiện và chính xác hơn nếu bổ sung các điểm đứt gãy địa hình, ghi chú độ cao, phép nội suy toán học bề mặt để đồng thời có thể xác định được các yếu tố về độ cao, hướng dốc,

độ dốc…vv

MHSĐH về mặt toán học được định nghĩa là biểu diễn số của bề mặt thông tin bề mặt địa hình, với quan điểm một mô tả về mặt định lượng, định tính các loại thông tin phân bố trên bề mặt đất trong tập hợp hữu hạn m chiều của miền D, được biểu diễn như sau:

- D{Vi,i=1,2,3…n}

- Vi = (Vi1, Vi2, Vi3,…,Vim): là yếu tố biểu diễn định lượng hoặc định tính của các loại thông tin về tài nguyên, môi trường, sử dụng đất, thông tin của địa hình Xi,

Yi, Zi (Xi, Yi Є D)

Từ định nghĩa trên, MHSĐH có thể biểu diễn ngoài thông tin về các yếu tố địa hình, còn biểu diễn thêm nhiều (lớn hơn 1) thông tin khác ngoài giá trị độ cao Chẳng hạn nếu biểu diễn mô hình tại các vị trí đứt gãy, hàm ếch thì mô hình số với

sự biểu diễn đơn trị sẽ không mô tả được hết thông tin của địa hình Do vậy, với mô hình số độ cao DEM, hay mô hình 3D (3 Dimension) chỉ là mô hình 2.5D mà không phải 3D như ta đã nhận định

Đối với dữ liệu thông tin địa lý, nếu chỉ quan tâm đến yếu tố địa hình thì MHSĐH còn được biểu diễn theo toán học như sau:

- D{Vi=(Xi, Yi, Zi), i=1,2,3…n}

- Vi: là dãy vector 3 chiều của địa hình trong miền D, trong đó (Xi, Yi Є D) là tọa

độ phẳng, Zi là độ cao điểm (Xi, Yi) Nếu các điểm mặt bằng của vector trong dãy có thể sắp xếp thành một lưới có quy tắc, quy luật thì các tọa độ phẳng (Xi,

Yi) có thể giản lược và biểu diễn với dạng vector một chiều (Zi,i=1,2,3…n)

Hình 2.4 MHSĐH biểu diễn dưới dạng vector

MHSĐH được định nghĩa gần gũi hơn là “Mô hình biểu diễn địa hình khu vực đo, trái đất bằng liên kết các điểm đo, hoặc các điểm nội suy thông qua thuật toán xây dựng bề mặt mô hình Các dữ liệu thông tin về địa hình khi lưu trữ trên máy tính thì các chương trình liên quan có thể truy cập và khai thác ứng dụng”

Hình 2.5 MHSĐH biểu diễn về ranh giới huyện Quế Phong, Nghệ An

MHSĐH mà ở đó có thể khai thác bao gồm các thông tin chính như sau [13]:

- Bề mặt vật lý: Cao độ, độ dốc, hướng dốc và các yếu tố địa mạo mô tả địa hình

- Đặc điểm địa hình: yếu tố thủy văn như sông suối, hồ, các yếu tố về mạng lưới giao thông như đường bộ, đường sắt và các khu vực đứt gãy, trồi lún …vv

- Tài nguyên thiên nhiên và môi trường: vùng đất trồng, địa khoáng, khí hậu…vv

2.1.2 Khả năng ứng dụng của mô hình số địa hình

So với bản đồ truyền thống, MHSĐH lưu trữ nhiều thông tin về địa hình hơn

vì dưới dạng số, cấu trúc dữ liệu nhiều tầng các thông tin phân bố theo chiều thẳng đứng mà bản đồ thông thường không biểu diễn hết được, các thông tin này có thể cập nhật bổ sung và sửa đổi Ưu điểm của MHSĐH:

- Đa dạng biểu diễn dữ liệu MHSĐH do có thể chuyển đổi sang các dữ liệu số khác như bản đồ số, các dạng mặt cắt hay dạng trực quan 3-D

- Độ chính xác và số liệu không bị mất theo thời gian, không bị biến dạng theo thời gian như bản đồ giấy Khả năng sửa đổi cập nhật theo thời gian thực: với dạng số MHSĐH có thể cập nhật, sửa đổi theo thời gian

- Khả năng biểu diễn chuyển đổi giữa các dữ liệu yêu cầu khác nhau và đồng thời

có thể phóng to thu nhỏ tỉ lệ dễ dàng

Với sự ra đời và phát triển hệ thống thông tin địa lý GIS từ những năm 1990, MHSĐH đã trở nên quan trọng hơn và trở thành dữ liệu hạ tầng cơ sở không thể thiếu đối với ngành khoa học:

- Quy hoạch và thiết kế các công trình giao thông, xây dựng đô thị, nhà cửa, khai thác mỏ, thiết kế cảnh quan, quy hoạch xây dựng công nghiệp vv

- MHSĐH cho mục đích quân sự, thiết kế các công trình thủy lợi, ngành năng lượng điện, dầu khí Khoa học về địa mạo, địa chất, đánh giá trữ lượng…vv

- Phân tích đánh giá trượt lở, xói mòn, phân tích địa hình và tính toán khối lượng đào đắp xây dựng Xây dựng hệ thống cảnh báo thiên tai, sụt trượt…vv

- Nhận dạng trong quá trình xử lý ảnh viễn thám

Hình 2.6 Khả năng tích hợp từ 2 MHSĐH nhằm đưa ra các dự báo

Một số khả năng ứng dụng khác ngoài lĩnh vực đo đạc bản đồ, quản lý tài nguyên là khả năng thu thập và lưu trữ thông tin của địa hình từ các thông số đặc trưng MHSĐH dưới góc độ kỹ thuật như các thông tin về độ cao, độ dốc, hướng dốc

và các thông số dẫn xuất từ chúng được khai thác và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác (bảng 2.1)

Bảng 2.1: Các thông số đặc trưng khai thác từ mô hình số địa hình

Thông số Định nghĩa Ứng dụng

Độ cao

Độ cao so với mực nước biển hoặc độ cao Nhà nước, địa phương

Xác định tiềm lực năng lượng, biến số khí hậu, áp suất, nhiệt độ, đặc tính của đất cho cây trồng, tính toán khối lượng đào đắp

Độ dốc (S) Tốc độ thay đổi về độ cao

Xác định độ dốc của địa hình, dòng chảy bề mặt dưới đất, phân loại đất và phủ thực vật, hiệu chỉnh ảnh viễn thám

Tính toán các thuộc tính của vùng lưu vực: hàm số thủy hệ, đánh giá

sự vận chuyển của vật chất trong mạng thủy hệ cục bộ

Vùng lưu vực(As) /

vùng lưu vực riêng

a

Vùng ngược dòng chảy của một vị trí cho trước / vùng lưu vực trên một đơn vị độ dài của đường đồng mức

Phân tích lưu vực, khối lượng vật chất chảy ra khỏi khu vực

Chỉ số địa hình ln (a/tgS) Chỉ số duy trì độ ẩm

Chỉ số năng lượng

dòng chảy ω ln(a x tgS)

Khả năng gây sói mòn dòng chảy

bề mặt Chỉ số vận chuyển

trầm tích

Đặc tính của quá trình xói mòn và bồi lắng

Tầm nhìn Vùng thông hướng Trạm tiếp xóng, tháp canh, khách sạn, các ứng dụng quân sự

Bức xạ Lượng năng lượng mặt trời thu nhận được trên một đơn

vị diện tích

Nghiên cứu thổ nhưỡng và cây trồng, sự bốc hơi nước, vị trí xây dựng các công trình với mục đích tiết kiệm năng lượng

Trong bảng 2.1, có thể tính toán từ MHSĐH là các chỉ số địa hình, hay còn được gọi là chỉ số duy trì độ ẩm (phản ánh sự phân bố độ ẩm trong đất, độ bão hòa của bề mặt và quá trình nước chảy tràn) hay chỉ số năng lượng dòng chảy, chỉ số vận chuyển trầm tích:

- I.đh = ln(a/tgS); Trong đó a là vùng lưu vực riêng (vùng lưu vực trên một đơn

vị độ dài đường đồng mức)

- A=A/l (l: là chiều dài đường đồng mức)

Chỉ số địa hình hay chỉ số duy trì độ ẩm phản ánh sự phân bố trong không gian độ ẩm của đất, độ bão hòa bề mặt và các quá trình tạo ra nước chảy tràn

Như vậy, xét thông tin mà MHSĐH có thể cung cấp được nhiều ngành khoa học ứng dụng: Có thể dùng để tính chỉ số năng lượng dòng chảy hay chỉ số vận chuyển trầm tích được tính qua độ dốc, dòng chảy của nước trên bề mặt địa hình phụ thuộc vào mặt dốc hoặc có thể mô hình hóa phân bố thủy học

2.2 Quy trình tổng quát xây dựng MHSĐH

Kể từ khi phát triển từ những năm 1950, với phát triển nhanh chóng từ các ngành liên quan như thu thập số liệu từ ảnh số máy bay, vệ tinh, toán học hiện đại, công nghệ máy tính và đồ họa phát triển MHSĐH cũng từng bước xây dựng được cải thiện, các bước xây dựng chính như sau (hình 2.7)

Hình 2.7 Cơ sở cơ bản xây dựng mô hình MHSĐH

- Thu thập dữ liệu: lựa chọn và thu thập số liệu đầu vào từ ảnh, ảnh số, bản đồ, số liệu đo đạc

- Xây dựng mô hình: Tính toán, lọc số liệu, thuật toán nội suy, xây dựng mô hình

số địa hình

Trong hai công đoạn chính (hình 2.7) để xây dựng mô hình thông thường được thực hiện riêng rẽ [6], tuy nhiên chúng có liên hệ mật thiết với nhau bởi quy trình phát triển không đồng bộ giữa công nghệ thu nhập số liệu, quy trình xây dựng

mô hình, phần mềm ứng dụng

Các nhà khoa học nghiên cứu và đưa ra nhiều dạng biểu diễn MHSĐH để tạo

ra mặt biểu diễn số gần nhất với bề mặt đất thực thông qua bề mặt toán học và đồ họa, tuy nhiên hai cấu trúc chủ yếu được sử dụng để biểu diễn mô hình hiện nay do tính ưu việt của chúng:

- Cấu trúc MHSĐH dạng lưới đều hình chữ nhật, hình vuông (Grid)

- Cấu trúc MHSĐH dạng lưới tam giác không đều (TIN)

Hình 2.8 Cấu trúc lưới Grid (trái) và lưới tam giác không đều TIN (phải)

Trong hình 2.9 minh họa mối quan hệ giữa số liệu điểm đo, cấu trúc mạng lưới và đường đồng mức trong quá trình mô hình hóa địa hình, các mũi tên biểu diễn quá trình tạo cấu trúc mạng lưới và nội suy Một điểm chú ý là mối quan hệ qua lại giữa các đường đồng mức và MHSĐH, mạng lưới Grid hoặc mạng lưới TIN

có thể nội suy đường đồng mức và ngược lại nếu có dữ liệu của đường đồng mức có thể nội suy được mô hình (hình 2.10)

Hình 2.9 Chu trình tổng quát xây dựng mô hình số địa hình

Hình 2.10 Mối quan hệ nội suy giữa đường đồng mức và MHSĐH

Mặc dù mới chỉ thảo luận một tính khái quát, nhưng trên hình 2.9 cho thấy khi đề cập các vấn đề cơ bản của MHSĐH ngoài việc tìm hiểu các cấu trúc của MHSĐH cần xem xét đến vấn đề khác như:

- Phương thức lấy mẫu: cách thu thập dữ liệu đầu vào

- Phương pháp nội suy và thuật toán nội suy

- Chuyển đổi qua lại giữa cấu trúc của MHSĐH

2.3 Các phương pháp biểu diễn MHSĐH

Sau khi thu nhập thông tin số liệu đầu vào của bề mặt địa hình, các dữ liệu này cần phải tổ chức sắp xếp và biểu diễn chúng sao cho thể hiện gần nhất với thông tin địa hình thực tế Hiện nay, MHSĐH thường được biểu diễn dưới hai dạng:

lưới ô vuông đều (Grid) và lưới tam giác không đều (TIN), mỗi cấu trúc đều có ưu

và nhược điểm riêng phụ thuộc vào số liệu đầu vào, độ chính xác yêu cầu MHSĐH, lưu trữ thông tin dữ liệu và ứng dụng đòi hỏi Tuy vậy, đối với địa hình có dạng hàm ếch, đứt gãy cả hai cấu trúc trên đều không thể hiện được nếu không bổ sung thêm thông tin vào MHSĐH bằng các đường đặc trưng địa hình (breakline)

2.3.1 Cấu trúc mô hình số địa hình dưới dạng lưới đều (Grid)

Cấu trúc lưới ô vuông đều (Grid) của MHSĐH, ở dạng này mặt đất hay khu vực đo được xem như chia nhỏ thành các ô vuông bởi lưới đều phủ lên Khoảng cách các mắt lưới là khoảng cách giữa hai điểm nút kế tiếp nhau và khi khoảng cách được xác định thì mỗi nút tại mạng lưới được xác định vị trí bằng tọa độ hàng hoặc cột Như vậy đối với lưới đều có khoảng cách xác định việc lưu trữ dữ liệu cũng giảm và đơn giản hơn bằng thứ tự các hàng các cột Ở dạng này người ta còn gọi là

ô vuông quy chuẩn hay ma trận độ cao Giá trị độ cao được lưu trữ tại các điểm nút mạng lưới nói trên, theo các hướng X và Y, gốc tọa độ có thể chọn một góc nào đó phù hợp

Hình 2.11 Lưới ô vuông đều (Grid) trong mô hình số địa hình

Biểu diễn theo toán học đối với MHSĐH ở dạng lưới Grid, với tọa độ phẳng của một điểm bất kỳ có độ cao Z (Zij) được xác định trên ô lưới thứ tự là (i, j) của ô lưới theo hai hướng như sau:

Trong đó:

- Xo,Yo tọa độ điểm gốc lưới ô vuông (thường là góc trái dưới của lưới)

- x, y là khoảng cách của mắt lưới trên các hướng X và Y

- i, j số thứ tự ô vuông của điểm cao độ; nx, ny là số ô lưới trên hướng X, Y Công thức 2.1, hướng tọa độ X, Y cũng có thể là trục tọa độ vuông góc của lưới chiếu bản đồ hay hệ tọa độ địa lý (theo kinh độ, vĩ độ)

Hình 2.12 MHSĐH theo lưới UTM (x=y=30m và φ=λ =3”)

Hình 2.12a và 2.12b biểu diễn MHSĐH theo lưới UTM (Mỹ) với khoảng cách lưới đều x=y=30m, nếu theo tọa độ địa lý thì x, y thay bằng ,  và thường được tính bằng đơn vị giây (“) cung kinh tuyến và vĩ tuyến [6] (Ở Úc người

ta thường dùng là 9” và ở Mỹ là 3” và 30”)

Cấu trúc dữ liệu của MHSĐH theo lưới Grid có dạng của cấu trúc dữ liệu của ảnh số Các thứ tự i, j có dạng là số thứ tự hàng, cột của các pixel trong ảnh số và giá trị độ cao Z(i,j) tương đương với khái niệm độ xám của pixel ảnh Vì thế cấu trúc dữ liệu tọa độ phẳng có thể được loại bỏ, và thay thế bằng một cách biểu diễn đơn giản và ít thông tin lưu trữ hơn như đếm số hàng, số cột Đây là điều khác biệt

so với mô hình TIN (đề cập ở phần sau) và cũng là ưu điểm của lưới Grid với lưu trữ tương tự như cấu trúc lưu trữ dữ liệu ảnh số ở dạng raster

Qua cách biểu diễn trên hình 2.12a và 2.12b có thể thấy ngoài ưu điểm của lưới đều còn có một nhược điểm nữa khi đề cập tới là: bốn (4) góc của khu đo trong biểu diễn bằng lưới chiếu UTM có phần lệch và các cạnh không song song nhất định giữa chúng (hình 2.12a), mặc dù trong phần biểu diễn khoảng cách lưới là hoàn toàn đều (30m) Đây chính là độ lệch khi biểu diễn giữa hệ tọa độ địa lý và hệ tọa độ lưới chiếu UTM

Ở hình 2.12b, ta thấy MHSĐH được lưu trữ dưới hệ tọa độ địa lý các cạnh

chiều dài vĩ tuyến  và các giá trị này thay đổi theo kinh độ và vĩ độ Đây cũng chính là ưu điểm là tránh được tính đa trị trong vùng phủ, không như khi biểu diễn trên phép chiếu bản đồ (Gauss hay UTM) Tuy vậy, lưu trữ và sử dụng dữ liệu ở dạng tọa độ địa lý không thuận lợi bằng biểu diễn trên hệ tọa độ lưới chiếu bản đồ

Hình 2.13 MHSĐH biểu diễn theo lưới ô vuông đều (Grid)

Một sự khác biệt và là ưu điểm hơn so với sự biểu diễn bằng lưới tam giác không đều (TIN) là lưu trữ ít hơn tại mỗi điểm độ cao, không như tại các đỉnh tam giác (node) phải lưu trữ đầy đủ cả ba tọa độ X, Y, Z, thêm vào đó sau khi tạo tam giác xong lại phải thiết lập các mối quan hệ tam giác liền kề (topology) với nhau Với cấu trúc dạng lưới Grid, mặc dù số lượng điểm mắt lưới có thể nhiều hơn số điểm trong lưới TIN thì lượng lưu dữ liệu trong tệp tin vẫn ít hơn [14]

2.3.2 Cấu trúc MHSĐH dưới dạng lưới tam giác không đều (TIN)

Lưới tam giác không đều (TIN), đây là dạng cấu trúc hình học liên kết liền

kề các tam giác phức tạp, được tạo bởi các điểm liên kết với khoảng cách không đều nhau Như vậy, MHSĐH được biểu diễn dưới dạng lưới TIN có thể hiểu là tập hợp của các tam giác liền kề, không nằm trong nhau, không chồng cắt nhau Các tam giác này được tạo bởi các điểm liên kết, điểm này biểu diễn cho điểm đo khảo sát với đặc điểm mô hình đầy đủ thông tin hay có ít nhất chứa đầy đủ tọa độ: X, Y, Z

Hình 2.14 MHSĐH biểu diễn theo lưới tam giác không đều (TIN)

MHSĐH biểu diễn theo lưới TIN có cấu trúc dạng vector dựa trên các điểm, đường và vùng có phân bố không đều với tập hợp các điểm và đường đứt gãy địa hình Thuật toán biểu diễn địa hình là quan hệ liền kề giữa các tam giác, thuật toán nội suy Delaunay hay thuật toán Delaunay từ biểu đồ nội suy Voronoi[14]

Hình 2.15 Tam giác Delaunay và phép nội suy tam giác mô hình số địa hình

Xây dựng mô hình lưới TIN thường sử dụng thuật toán tam giác Delaunay để tối ưu hóa bề mặt địa hình Mục đích nội suy tạo ra các tam giác càng gần đều càng càng chính xác với mặt địa hình thực Theo [6], “Tam giác Delaunay thỏa mãn điều

kiện đường tròn ngoại tiếp của một tam giác thì không chứa đỉnh của một tam giác khác bên trong nó” (hình 2.15)

Cấu trúc lưới TIN lấy các đỉnh tam giác làm cơ sở, các quan hệ topology được miêu tả trong cơ sở dữ liệu bằng cách thiết lập các con trỏ (pointer) từ mỗi đỉnh của tam giác tới từng đỉnh liền kề Với cấu trúc dữ liệu dạng vector lưu trữ các quan hệ topology giữa các tam giác, nó cho phép xác định các điểm tạo nên từng tam giác và tam giác nào liền kề với tam giác nào? Trong quan hệ topology này giúp rất nhiều ứng dụng của MHSĐH: nội suy độ cao, đường đồng mức, tính toán khối lượng, thể tích, biểu diễn bề mặt…vv

Cơ sở của TIN bao gồm ba loại bản ghi là bản ghi đỉnh tam giác, bản ghi con trỏ và bản ghi tam giác (hình 2.16 cấu trúc TIN với 8 đỉnh và 8 tam giác) các bản ghi con trỏ và tam giác đã nhập thành một bảng Tập tin điểm là bản ghi đỉnh tam giác bao gồm số hiệu và tọa độ X, Y, Z của từng đỉnh, tập tin tam giác chứa bản ghi tam giác bao gồm thứ tự các tam giác, các đỉnh từng tam giác Bản ghi con trỏ thể hiện quan hệ liền kề của các tam giác, thứ tự các tam giác liền kề được sắp xếp theo chiều kim đồng hồ và được bắt đầu từ hướng Bắc, mỗi tam giác thường có ba tam giác liền kề (riêng các tam giác nằm tại biên của mạng TIN có thể có từ 1 đến 2 tam giác liền kề)

Hình 2.16 Cấu trúc Topology và 8 điểm, 8 tam giác trong mô hình mạng TIN

Mạng lưới TIN thường được thành lập để biểu diễn các yếu tố đặc trưng của địa hình với dạng điểm, đường và vùng Đầu tiên các tam giác được thành lập từ điểm, sau đó các đường được chêm vào và tạo ra tam giác mới tạo đỉnh mới ở chỗ giao cắt nhau giữa các đường với tam giác Mô hình TIN được cập nhật để bao hàm đỉnh mới này Kết hợp với bổ sung các đường đứt gãy đặc trưng của mô hình, sau khi tạo lưới tam giác hoàn tất, mô hình sẽ cập nhật và lưu trữ danh mục các đỉnh cho từng tam giác và danh mục tam giác liền kề Cấu trúc này tương tự với cấu trúc topology phẳng, chỉ có điều thuộc tính là độ cao Z, và vùng là tam giác thay vì polygon bất kỳ như cấu trúc topology phẳng thông thường

Mô hình lưới TIN có ưu điểm biểu diễn chính xác và phản ánh địa hình thực hơn lưới Grid Đây cũng là ưu điểm của lưới TIN với cấu trúc dữ liệu topology Tuy nhiên, nhược điểm của cấu trúc TIN là khi nội suy độ cao của một điểm thì phức tạp hơn do trước tiên phải tìm kiếm và tính toán xem điểm đó nằm ở tam giác nào? Và cũng phải xét tới khi cần xác định giao điểm độ cao của điểm xác định với đường dây dọi và mặt phẳng tam giác (trong không gian 3 chiều) trong khía cạnh cần bổ sung hiệu chỉnh độ cong của địa hình

Như vậy trong cấu trúc lưới TIN thì phương pháp tính toán trong nội suy khi xây dựng MHSĐH lớn hơn đối với lưới Grid, nhưng ưu điểm biểu diễn mô hình gần với thực tế và chính xác hơn

2.3.3 So sánh MHSĐH dạng lưới Grid và TIN

Như đã đề cập với hai cách biểu diễn MHSĐH bằng lưới Grid và TIN như trên đều có ưu điểm và nhược điểm riêng, tuy nhiên không có cách xây dựng biểu diễn nào tỏ ra ưu việt rõ ràng hơn cả Cách xây dụng cấu trúc dưới dạng Grid và TIN phụ thuộc nhiều vào yêu cầu phân tích dữ liệu đầu vào, ra của các ứng dụng cụ thể Chẳng hạn đối với việc phân tích dòng chảy thì thường người ta sử dụng mô hình TIN vì cho độ chính xác về đặc trưng địa hình hơn mô hình Grid Còn phân tích thủy văn ngập lụt thì sử dụng mô hình Grid là đủ Khi xây dựng MHSĐH toàn quốc với độ chính xác yêu cầu vừa phải, lượng điểm đo lớn cần giảm thiểu tính toán

nội suy, giảm thiểu dữ liệu lưu trữ thì sử dụng lưới Grid Ở một số nước thường sử dụng lưới Grid để biểu diễn vì ưu điểm thuận tiện trong lưu trữ và tính toán này như các nước Mỹ, Anh, Đức, Úc, Trung Quốc…vv

Bảng 2.2 So sánh biểu diễn mô hình số địa hình dưới dạng lưới Grid và TIN

So sánh Lưới ô vuông đều (Grid) Lưới tam giác không đều (TIN)

Số liệu

Mô hình số địa hình dưới dạng lưới ô vuông đều (Grid) có cấu trúc đơn giản, dữ liệu biểu diễn

bề mặt địa hình là phổ biến

Mô hình số địa hình dưới dạng lưới tam giác không đều (TIN)

có thể biểu diễn chính xác bề mặt, đòi hỏi lấy mẫu với số liệu đầu vào hợp lý hơn

Độ chính xác

Độ chính xác trên mô hình số địa hình được xác định bởi khoảng cách mắt lưới, để tăng độ chính xác cần giảm khoảng cách giữa các mắt lưới

Các đối tượng đặc trưng như đỉnh hay đường phân thủy không thể miêu tả chính xác hơn độ rộng của mắt lưới

Có mật độ các điểm đo thay đổi tùy thuộc vào thay đổi độ dốc của địa hình, để tăng độ chính xác cần tăng thêm điểm độ cao, các điểm trên đường đứt gãy của mô hình

Được xây dựng để thu nhập các đặc trưng của mô hình như đường phân thủy, tụ thủy hay các đỉnh

Theo chu trình xây dựng (hình 2.9), hai cấu trúc của MHSĐH là Grid và TIN

có thể chuyển đổi cho nhau và việc chọn dạng nào phụ thuộc vào dạng phận tích dữ liệu cần thiết trong các ứng dụng cụ thể (phép phân tích dữ liệu không gian) Với ưu thế về thuật toán MHSĐH dưới dạng lưới ô vuông đều (Grid) thường được sử dụng với quy mô rộng hơn với ứng dụng tính toán và phân tích lưu vực dòng chảy, thủy văn và ngập lụt

2.4 Các nguồn dữ liệu tạo mô hình số địa hình

Xây dựng MHSĐH với công nghệ hiện nay thì nguồn dữ liệu chủ yếu từ bốn nguồn dữ liệu:

- Dữ liệu đo đạc trực tiếp ngoài thực địa: sử dụng máy toàn đạc, máy kinh vĩ, máy GPS, đo sâu hồi âm

- Từ cặp ảnh hàng không hoặc vệ tinh

- Số hóa từ bản đồ có sẵn: số hóa đường đồng mức, số hóa bản đồ

- Dữ liệu từ công nghệ đo Laser kết hợp định vị GPS đặt trên máy bay: LiDAR

- Dữ liệu từ công nghệ đo Radar độ mở rộng tổng hợp giao thoa InSAR/IfSAR Các phương pháp xây dựng MHSĐH trên sử dụng thiết bị, phần mềm, giá thành xây dựng, độ chính xác và phạm vi áp dụng khác nhau Tuy nhiên, xây dựng MHSĐH dù bằng phương pháp nào cũng trải qua hai giai đoạn độc lập và có ảnh hưởng liên quan mật thiết đến nhau: thu thập trị đo hay còn gọi là quá trình lấy mẫu

và xử lý tính toán nội suy xây dựng mô hình

Hình 2.17 Phương pháp xây dựng MHSĐH từ các nguồn dữ liệu khác nhau

2.5 Các phương pháp xây dựng mô hình số địa hình

2.5.1 Xây dựng MHSĐH bằng đo đạc trực tiếp

Phương pháp đo đạc trực tiếp ngoài thực địa là phương pháp khảo sát truyền thống nhằm thu nhập tọa độ và độ cao của điểm đo, điểm đặc trưng địa hình với độ chính xác cao thông qua các thiết bị khảo sát: máy kinh vĩ, máy toàn đạc điện tử, máy đo GPS, DGPS hay máy đo sâu hồi âm (xác định độ sâu, cao độ lòng sông, suối ao hồ) Tuy nhiên phương pháp này đòi hỏi nhiều thời gian và kinh phí nên chỉ được áp dụng đối với yêu cầu khu vực và phạm vi nhỏ, dự án riêng độc lập hoặc có thể đo bổ sung cho phương pháp đo ảnh (do bị che phủ bởi thảm thực vật trong chụp ảnh), hoặc nơi đòi hỏi yêu cầu độ chính xác đặc biệt cao

Hình 2.18 Dữ liệu MHSĐH được xây dựng từ đo đạc trực tiếp ngoài thực địa

Sau khi đo đạc được số liệu địa hình ta có thể tính toán và biên tập để có các điểm X, Y, Z thậm chí cả các thuộc tính mô tả điểm bằng các phần mềm chuyên dụng Với dạng dữ liệu này nhiều phần mềm có thể biên tập các điểm với đầy đủ thông tin về tọa độ và mô tả điểm như ArGIS, Topo, AutoDESK…vv

Sử dụng các công cụ phần mềm để xây dựng lưới TIN, kết hợp với mô tả các thông tin của điểm về các đường đặc trưng địa hình ta có thông tin dữ liệu và quan

hệ topology giữa các tam giác liền kề Từ MHSĐH, các công cụ sẽ hỗ trợ tự động:

vẽ đường đồng mức từ mô hình, tính toán khối lượng đào đắp, và các chức năng ứng dụng khác vv

Hình 2.19 Xây dựng MHSĐH trong ngành giao thông

Độ chính xác MHSĐH của phương pháp này rất cao, có thể đạt độ chính xác của điểm độ cao tới vài cm, nên thường được ứng dụng trong các ngành xây dựng, giao thông, hay quy hoạch các dự án cỡ nhỏ và vừa

Trong tính toán và nội suy khi xây dựng MHSĐH cho kết quả không đúng, nếu như mật độ điểm đo thưa, bị khái quát hóa do yếu tố không lấy đủ điểm địa hình vì lý do kinh tế Tuy nhiên với phương pháp đo trực tiếp này, người ta có thể cập nhật bổ sung ngay các điểm đặc trưng địa hình thiếu này, đây cũng chính là ưu

và nhược điểm của phương pháp đo truyền thống này