Xây dựng cơ sở dữ liệu địa hình phục vụ khảo sát, thiết kế các công trình thuỷ điện từ các kết quả đo vẽ của công nghệ ảnh số

tính, không giải quyết được các bài toán tự động phân tích địa hình, … Với việc áp dụng công nghệ GIS và các dữ liệu đầu vào là các kết quả đo vẽ của công nghệ ảnh số, thì chúng ta hoàn

LỜI CAM ĐOAN Tôi cam rằng đây là công trình nghiên cứu của riêng bản thân Các số

liệu và kết qủa trình bày là chính xác, trung thực chưa có công trình nào công

bố

Hà Nội, ngày 02 tháng 09 năm 2010

Tác giả luận văn

Đặng Huy Hùng

MỤC LỤC

Trang

LỜI CAM ĐOAN 1

MỤC LỤC 2

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 5

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU 6

MỞ ĐẦU 8

1 Tính cấp thiết của đề tài 8

2 Mục tiêu của luận văn 10

3 Phạm vi nghiên cứu 10

4 Nội dung nghiên cứu của đề tài 11

5 Phương pháp nghiên cứu của đề tài 11

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 11

7 Cấu trúc của luận văn 12

LỜI CẢM ƠN 13

Chương 1 - KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÍ (GIS) 14

1.1 Sự hình thành và phát triển của GIS 14

1.2 Khái niệm về hệ thống thông tin địa lí (GIS) 15

1.3 Các thành phần cơ bản của GIS 16

1.3.1 Thiết bị (phần cứng) 17

1.3.2 Phần mềm 17

1.3.3 Số liệu, dữ liệu địa lí 17

1.3.4 Chuyên viên 18

1.3.5 Chính sách và quản lý 18

1.4 Cấu trúc CSDL trong hệ thống thông tin địa lí (GIS) 18

1.4.1 CSDL không gian 18

1.4.2 CSDL thuộc tính 24

1.4.3 Mối liên kết dữ liệu 26

1.5 Các đặc điểm của hệ thống thông tin địa lí (GIS) 26

1.5.1 Khả năng chồng xếp các bản đồ 26

1.5.2 Khả năng phân loại các thuộc tính 27

1.5.3 Khả năng phân tích 27

1.6 Xử lý thông tin bản đồ trong GIS 28

1.6.1 Cấu trúc của thông tin bản đồ 28

1.6.2 Chuẩn thông tin bản đồ 31

Chương 2 - SỬ DỤNG CÁC KẾT QUẢ ĐO VẼ ẢNH SỐ ĐỂ XÂY DỰNG CƠ SƠ DỮ LIỆU GIS 33

2.1 Cơ sở lý thuyết thành lập bản đồ địa hình bằng công nghệ ảnh số 33

2.1.1 Cơ sở lý thuyết đo vẽ ảnh số 33

2.1.2.Các hệ thống đo vẽ ảnh 36

2.1.3 Cấu trúc của hệ thống xử lý ảnh 37

2.1.4 Quy trình công nghệ thành lập bản đồ địa hình bằng ảnh số 40

2.2 Phương pháp xây dựng cơ sở dử liệu 48

2.2.1 Mô hình dữ liệu 48

2.2.2 Quy trình xây dựng cơ sở dữ liệu 50

Chương 3 - XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU ĐỊA HÌNH GIS KHU VỰC HUỘI QUẢNG 62

3.1 Giới thiệu phần mềm ArcGIS 62

3.1.1.Hệ thống ArcGIS 62

3.1.2 ArcGis Desktop 64

3.1.3 ArcSDE 67

3.1.4 ArcIMS 68

3.1.5 Nguồn dữ liệu và khuôn dạng dữ liệu của GIS 68

3.2 Điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội khu vực thực nghiệm 70

3.3 Xây dựng CSDL địa hình hệ TTĐL từ các kết quả đo vẽ ảnh số 73

3.3.1 Cấu trúc của dữ liệu “*.dgn” 73

3.3.2 Những nhược điểm của dữ liệu dạng “*.dgn” 75

3.3.3 Cơ sở thiết kế CSDL địa hình 75

3.3.4 Thiết kế CSDL 76

3.4 Ứng dụng công nghệ GIS trong khảo sát, thiết kế các công trình thủy điện 96

3.4.1 Xây dựng mô hình 3D phục vụ cho nghiên cứu tổng quan 96

3.4.2 Bài toán lựa chọn vị trí tuyến đập tối ưu 99

3.4.3 Bài toán lựa chọn cao độ đập dâng hồ chứa 104

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 108

TÀI TIỆU THAM KHẢO 110

ĐTĐL Đối tượng địa lý

HTTTĐL Hệ thống thông tin địa lý

TTĐL Thông tin địa lý

DEM Mô hình số độ cao

PC Máy tính cá nhân

LIS Hệ thống thông tin đất đai

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU

Trang

Hình 1.1 Mô hình tổng quan của GIS ……… 16

Hình 1.2 Các thành phần cơ bản của hệ thống thông TIN địa lý GIS … 16

Hình 1.3 Các thành phần thiết bị cơ bản của hệ thống GIS ……… 17

Hình 2.1 Lược đồ độ xám của ảnh ………35

Hình 2.2: Hệ thống đo ảnh số ……….36

Hình 2.3: Sơ đồ trạm đo ảnh số ……… …39

Hình 2.4: Sơ đồ quy trình thành lập bản đồ địa hình bằng ảnh số ……….40

Hình 2.5 Các nguồn thông tin trong CSDL ……….… 49

Hình 2.6 Sơ đồ quy trình xây dựng cơ sở dữ liệu ……….52

Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống phần mềm ArcGis ……….62

Hình 3.2 Các thành phần của ArcGis Desktop ………….……….64

Hình 3.3 Giao diện của ArcMap ………65

Hình 3.4 Giao diện của ArcCatalog ……… 65

Hình 3.5 Giao diện của ArcToolbox ……….66

Hình 3.6 Các thành phần của ArcSDE ……… 67

Hình 3.7 Các thành phần của ArcIMS ……… 68

Hình 3.8 Cấu trúc của GeoDatabase ……….70

Hình 3.9 Cấu trúc CSDL địa hình ……….76

Hình 3.10 Lớp thông tin địa hình vùng thực nghiệm ……… 92

Hình 3.11 Lớp thông tin giao thông vùng thực nghiệm ………92

Hình 3.12 Lớp thông tin thủy hệ vùng thực nghiệm ……….93

Hình 3.13 Lớp thông tin dân cư vùng thực nghiệm ……… 93

Hình 3.14 Lớp thông tin ranh giới vùng thực nghiệm ……… 94

Hình 3.15 Lớp thông tin thực vật vùng thực nghiệm ………94

Hình 3.16 Các lớp thông tin vùng thực nghiêm ………95

Hình 3.17 Mô hình TIN khu thực nghiệm ……….……96

Hình 3.18 Bề mặt GRID khu thực nghiệm ………96

Hình 3.19 Bề mặt độ dốc khu thực nghiệm ……… …97

Hình 3.20 Giá trị độ cao các điểm dân cư ……… 98

Hình 3.21 Tìm kiếm sông theo tên ………99

Hình 3.22 Tim các vị trí hẹp trên sông Nậm Mu ……… 100

Hình 3.23 Các vị trí hẹp tìm được trên sông Nậm Mu ……… 101

Hình 3.24 Khoảng cách các tuyến đập ………103

Hình 3.25 Tuyến đập có chiều dài nhỏ nhất ………104

Hình 3.26 Vùng ngập nước sau khi tích nước lòng hồ đến cao trình thiết kế

………105

Hình 3.27 Các vị trí dân cư phải di rời ………106

Hình 3.28 Các vùng thực vật bị mất do ngập nước ……….107

Bảng 3.1 Danh mục các đối tượng địa lý CSDL địa hình 77

Bảng 3.2 Phân loại các lớp thông tin 78

Bảng 3.3 Mối quan hệ Topology của các lớp đối tượng 79

Bảng 3.4 Trường thuộc tính nhóm lớp CoSo 80

Bảng 3.5 Trường thuộc tính nhóm lớp RanhGioi 82

Bảng 3.6 Trường thuộc tính nhóm lớp DiaHinh 83

Bảng 3.7 Trường thuộc tính nhóm lớp ThuyHe 85

Bảng 3.8 Trường thuộc tính nhóm lớp GiaoThong 86

Bảng 3.9 Trường thuộc tính nhóm lớp DanCu 89

Bảng 3.10 Trường thuộc tính nhóm lớp Thuc vat 90

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Thủy điện là nguồn điện có được từ nặng lượng nước, nó được sinh ra

từ thế năng của dòng nước (sự chênh lệch về độ cao), đây là loại năng lượng tái sinh là nguồn tài nguyên vô giá của mỗi Quốc gia Theo thống kê thì tính chung trên toàn thế giới

hiện nay đã sử dụng tới

20% năng lượng điện từ

các nhà máy thủy điện,

trong đó một số Quốc

gia có nhiều tiềm năng

về thủy điện đã sử dụng

hầu hết nhu cầu điện

của họ bằng sức nước như: Na Uy, Iceland, Áo, Canada

Ở nước ta hiện nay có tổng công suất các nhà máy thủy điện khoảng 6.000MW chiếm 34% sản lượng điện quốc gia và theo chiến lược phát triển điện của Chính phủ đên năm 2020 tổng công suất các nhà máy thủy điện đạt 13.000 – 15.000 MW Thủy điện là nguồn năng lượng hết sức quan trọng trong quá trình công nghiệp hoá hiện đại hóa đất nước, nó không chỉ thuần túy mang trên mình một mục tiêu là sản xuất ra nguồn điện cung cấp cho các nhà máy, xí nghiệp và cho các nhu cầu khác của xã hội mà còn vươn tới nhiều mục tiêu khác như: cấp nước, chống lũ, chống hạn,

Với tầm quan trọng đó của thủy điện chính phủ và nhà nước ta đã đề ra phương hướng là trong khoảng 10 tới sẽ triển khai xây dựng hầu hết các nhà máy Thuỷ điện tại những nơi có khả năng xây dựng và tiến tới khảo sát, thi công các nhà máy thủy điện ở các nước bạn Lao, CamPuChia nhằm phục vụ tốt cho nhu cầu về điện của quá trình công nghiệp hoá hiện đại hóa đất nước

Thủy điện là loại công trình mang tính chất đặc thù, khi xây dựng nó làm thay đổi rất lớn về mặt đời sống, kinh tế xã hội không những ở tại nơi xây dựng, mà còn ảnh hưởng tới những vùng ngập nước rộng lớn khác dọc lưu vực sông khi chặn dòng Vì vậy trước khi đưa ra một quyết định thiết kế cho một công trình thì yêu cầu đặt ra là phải tiến hành khảo sát một khu vực rộng lớn về mặt địa hình, địa chất, kinh tế xã hội những vùng dự kiến bị ảnh hưởng cũng như tác động của nó tới môi trường, … trước khi công trình được triển khai xây dựng Trong đó vấn đề khảo sát địa hình là một khâu hết sức quan trọng và đây là khâu đầu tiên làm nền tảng cho mọi khâu khác Khi đã có các

số liệu về địa hình thì chúng ta mới có thể tiến hành các khâu tiếp theo như: thiết kế công suất lắp máy, thiết kế kỹ thuật công trình, vấn đề di dân, đền bù giải toả, xây dựng các khu tái định cư, đánh giá tác động môi trường, thiết kế thi công công trình, …

Để có thể đưa ra quyết định xây dựng một công trình thuỷ điện có hiệu quả nhất, chúng ta cần có một cái nhìn tổng thể toàn bộ khu vực chịu ảnh hưởng khi công trình được tiến hành xây dựng Điều này có thể giải quyết được bằng việc ứng dụng công nghệ GIS để theo dõi một cách trực quan về tình hình ngập nước ở vùng thượng lưu khi tiến hành ngăn sông tích nước cho lòng hồ tới cao trình dự kiết thiết kế Từ đây các nhà quản lý, cũng như người thiết kế sẽ đưa ra những phương án điều chỉnh hợp lý để đảm bảo những mục tiêu tối ưu của một công trình thuỷ điện

Trong thời gian gần đây, hệ thống thông tin địa lý (GIS) đã phát triển nhanh chóng trên thế giới cũng như ở nước ta và được ứng dụng ở rất nhiều ngành khoa học khác nhau Trước đây trong thiết kế Thuỷ điện người ta thường áp dụng một số phần mềm về địa hình như: Sapdes, Nova, Topo, … Những phần mềm này hiện nay đã có nhiều cải tiến nhưng vẫn chỉ thuần túy

mô tả địa hình, tính mô phẩm không cao, không mang các thông tin thuộc

tính, không giải quyết được các bài toán tự động phân tích địa hình, … Với việc áp dụng công nghệ GIS và các dữ liệu đầu vào là các kết quả đo vẽ của công nghệ ảnh số, thì chúng ta hoàn toàn có thể giải quyết được hầu hết các vấn đề mà các phần mềm kể trên không giải quyết được Chính vì vậy đề tài

“Xây dựng cơ sở dữ liệu địa hình phục vụ khảo sát, thiết kế các công trình Thủy điện từ các kết quả đo vẽ của công nghệ ảnh số” vừa mang ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn rất cao

2 Mục tiêu của luận văn

• Ứng dụng GIS để xây dựng cơ sở dữ liệu địa hình phục vụ công tác khảo sát và thiết kế các công trình Thủy điện

• Nghiên cứu và đề xuất quy trình xây dựng cơ sở dữ liệu (CSDL) địa hình và thông tin địa lý từ các kết quả đo vẽ ảnh, trên các trạm đo vẽ ảnh số đang có ở nước ta, để phục vụ có hiệu quả cho công tác phân tích địa hình trong khảo sát và thiết kế các công trình Thủy điện

• Xây dựng một số bài toán ứng dụng trong khảo sát, thiết kế Thủy điện dựa trên các phép phân tích địa hình trong GIS

• Ngoài ra, CSDL địa hình và các thông tin địa lý được thành lập, còn phục vụ một cách hữu ích cho công tác đánh giá tác động môi trường,

di dân, tái định cư trong quá trình phê duyệt dự án đầu tư

3 Phạm vi nghiên cứu

• Về địa lý: Khu vực nghiên cứu gồm 13 mảnh bản đồ địa hình tỷ lệ 1/10 000 vùng hồ Thủy điện Huội Quảng – Huyện Than Uyên – Tỉnh Lai Châu

• Về đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu xây dựng cơ sở dữ liệu địa hình

từ các kết quả đo vẽ của công nghệ ảnh số phục vụ khảo sát, thiết kế các công trình Thủy điện

4 Nội dung nghiên cứu của đề tài

• Tìm hiểu các phương pháp xây dựng CSDL của hệ thông tin địa lý

• Công nghệ đo vẽ ảnh số và khả năng cung cấp thông tin để xây dựng CSDL

• Xây dựng những quy trình CSDL địa hình từ kết quả đo vẽ ảnh số

• Tiến hành thực hiện xây dựng CSDL địa hình phục vụ cho quá trình khảo sát và thiết kế công trình Thủy Điện cụ thể bằng phần mềm ArcGIS

5 Phương pháp nghiên cứu của đề tài

• Thu thập những tài liệu có liên quan tới đề tài của luận văn, qua thư

viện, internet …

• Điều tra thực địa

• Sử dụng dữ liệu địa hình từ công nghệ đo vẽ ảnh số, có khuôn dạng

“*.dgn” để xây dựng CSDL cho vùng thực nghiệm

• Ứng dụng phần mềm ArcGis để xây dựng CSDL cũng như lưu trữ,

quản lý và xử lí dữ liệu

• Phân tích các dữ liệu, cung cấp các thông tin nhằm phục vụ công tác

khảo sát, thiết kế công trình

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

• Đưa ra quy trình xây dựng cơ sở dữ liệu địa hình và thông tin địa lý từ kết quả đo vẽ ảnh số để phục vụ cho việc phân tích địa hình

• Sản phẩm thử nghiệm là cơ sở dữ liệu địa hình của hệ thông tin địa lý (GIS) khu vực Huội Quảng và kết quả một số bài toán lựa chọn, tìm kiếm dựa trên các phép phân tích địa hình, được ứng dụng trong khảo sát và thiết kế các công trình thủy điện

7 Cấu trúc của luận văn

Luận văn gồm phần Mở đầu, 03 Chương và phần Kết luận được trình bày trong 110 trang đánh máy với 37 hình vẽ và 10 bảng

kế các công trình Thủy điện

Đề tài này được thực hiện và hoàn thành trong khoảng thời gian 9 tháng, từ tháng 12/2009 -:- tháng 8/2010 Trong suốt quá trình nghiên cứu tôi

đã sử dụng các tài liệu về hệ thống thông tin địa lý; các tài liệu về đo vẽ ảnh số; các tài liệu về xây dựng thủy điện; các tài liệu về xây dựng cơ sở dữ liệu cho GIS; các tài liệu liên quan tới khu vực thực nghiệm …chủ yếu các tài liệu trên được thu thập ở trong nước Mặc dù đã sử dụng nhiều tài liệu tham khảo

và những nỗ lực của bản thân nhưng nội dung và hình thức của luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót nhất định Tôi xin được cảm ơn và rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp, để luận văn được hoàn thiện hơn

Nhân dịp này tôi xin trân trọng gửi lời cảm ơn tới:

Ban lãnh đạo trường Đại học Mỏ - Địa chất, cùng toàn thể các thầy, cô giáo

Ban lãnh đạo và các đồng nghiệp của Công ty cổ phần Sông Đà 5, nơi tôi đang công tác

Đặc biệt tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới: PGS.TS Trần Đình Trí, người

đã trực tiếp, hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu đề tài này

Tôi cũng xin được gủi lời cảm ơn tới những người thân trong gia đình

đã luôn luôn sát cánh, đông viên, tạo mọi điêu kiện thuận lợi để tôi yên tâm học tập, công tác và hoàn thành tốt khóa học

Xin chân thành cảm ơn!

Chương 1 KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÍ (GIS) 1.1 Sự hình thành và phát triển của GIS

Hệ thống thông tin địa lý (Geographic Information System) “GIS” được

ra đời ở Canada vào đầu thập niên 60 Nhưng trong suốt hai thập niên 60 và

70 GIS chưa được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu nhiều, mãi đến đầu thập niên 80, khi phần cứng máy tính phát triển mạnh với những tính năng cao, giá rẻ, đồng thời với sự phát triển nhanh về lí thuyết và ứng dụng cơ sở

dữ liệu (CSDL) cùng với nhu cầu cần thiết về thông tin địa lý làm cho công nghệ GIS ngày càng được quan tâm và phát triển nhảy vọt về chất

Sang những năm đầu của thập kỷ 90, con người đã đạt được những thành tựu to lớn trong lĩnh vực viễn thám Kĩ thuật này cho phép thu thập thông tin từ xa trên diện rộng nhờ sử dụng các tấm ảnh vệ tinh và ảnh hàng không Thêm vào đó những bước tiến nhanh chóng trong lĩnh vực chế tạo máy tính giúp con người có thể xử lý được một lượng thông tin khổng lồ trong thời gian ngắn Xu hướng tích hợp RS và GIS đã xuất hiện RS giúp các nhà khoa học trong nhiều lĩnh vực có được các nguồn dữ liệu đầu vào quan trọng với giá thành rẻ hơn rất nhiều so với các nguồn khác để cập nhật vào hệ thống Một công nghệ nữa cũng rất phát triển và hỗ trợ rất nhiều trong việc

định vị các thông tin không gian Đó là hệ thống định vị toàn cầu GPS

(Global Positioning System) Việc tích hợp ba công nghệ nói trên đã đưa lại

những hiệu quả kinh tế - xã hội – khoa học kĩ thuật rõ rệt, khi mà ngày nay nhiều vấn đề mang tính toàn cầu đòi hỏi phải có sự hỗ trợ và hợp tác đa ngành, đa địa phương, đa quốc gia để giải quyết

Công nghệ GIS tích hợp với RS và GPS đã hỗ trợ cho các nhà khoa học

và các nhà quản lý trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau như quân sự, kinh tế, chính trị, văn hóa, khoa học tự nhiên, quản lý tài nguyên thiên nhiên và môi

trường, nông – lâm nghiệp…

Vào cuối thập kỷ 20, sự phát triển nhanh chóng rên các hệ thống khác nhau đã hợp nhất và chuẩn hóa trên một vài platforms và người sử dụng bắt đầu cáo khái niệm về sử dụng GIS trên internet Gần đây đã xuất hiện nhanh chóng các gói phần mềm GIS miễn phí và mã nguồn chạy trên nhiều hệ điều hành khác nhau, người sử dụng có thể tùy biến để thực hiện các tác vụ cụ thể

Ngày nay, GIS là một ngành công nghiệp hàng tỷ đô la với sự tham gia của hàng trăm nghìn người trên toàn thế giới GIS được dạy trên các trường phổ thông, trường đại học trên toàn thế giới Các chuyên gia của mọi lĩnh vực

đã nhận thức được những ưu điểm của sự kết hợp giữa công việc của họ với GIS

Ở Việt Nam, nhận thấy tầm quan trong của GIS các cơ quan đã sớm quan tâm và đầu tư xây dựng các ứng dụng GIS phục vụ cho công tác quản lý, khai thác, và sử dụng các lợi ích do công nghệ này mang lại Cho đến nay GIS

đã được ứng dụng rộng rãi vào nhiều lĩnh vực, nhiều ngành khoa học khác nhau, và đặc biệt trong công tác khảo sát bề mặt địa hình thì GIS đã trở thành một công cụ hữu hiệu, là một trong những kênh thông tin có hiệu quả nhất, đầy đủ nhất

1.2 Khái niệm về hệ thống thông tin địa lí (GIS)

Hệ thống thông tin địa lý (GIS – Geographical Informartion Systems),

là một hệ thống gồm các thành phần: phần cứng, phần mềm, và các thiết bị ngoại vi dùng để nhập lưu trữ, truy vấn, xử lý, phân tích, hiển thị hoặc xuất dữ liệu Trong đó CSDL của hệ thống chứa các dữ liệu của các đối tượng, các hoạt động kinh tế, xã hội, nhân văn, phân bố theo không gian và sự kiện xảy

ra theo tiến trình lịch sử Có thể nói cách khác rằng: hệ thống thông tin địa lý

là một hệ thống máy tính có khả năng trả lời được những câu hỏi cơ bản: Ai? Cái gì? Tại sao? Ở đâu? Khi nào? Như thế nào?

Hình 1.1 Mô hình tổng quan của

Hình 1.2 Các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin địa lý (GIS)

Như vậy, GIS là một hệ thống có khả năng trợ giúp các cơ quan chính phủ, các nhà quản lý, các doanh nghiệp, các cá nhân, … đánh giá được hiện trạng của các quá trình, các thực thể tự nhiên, kinh tế - xã hội thông qua các chức năng thu thập, quản lý, truy vấn, phân tích và tích hợp các thông tin được gắn với một nền hình học (bản đồ) nhất quán, trên cơ sở tọa độ của các đối tượng đầu vào

Về tổng quan có thể hiểu GIS như một quá trình “vào – ra” của dữ liệu như sơ đồ (Hình 1.1) dưới đây:

1.3 Các thành phần cơ bản của GIS

Công nghệ GIS là một hệ thống gồm 5 thành phần cơ bản Đó là: thiết bị; phần mềm; số liệu – dữ liệu địa lý; chính sách và quản lý

Quản

lý số liệu

Phân tích mô hình hóa

Xử

lý

số liệu

Số liệu

vào

Số liệu ra

Hình 1.3 Các thành phần thiết bị cơ bản của hệ thống GIS

1.3.1 Thiết bị (phần cứng)

Thiết bị bao gồm: máy tính (computer), máy vẽ (plotters), máy in

(printer), bàn số hóa (digitizer), thiết bị quét ảnh (scanners), các phương tiện

lưu chữ số liệu (Ploppy diskettes, Optic`al castridges, CD rom, v.v…)

Phần cứng là hệ thống máy tính trên đó một hệ GIS hoạt động Ngày nay, phần mềm GIS có khả năng chạy trên rất nhiều dạng phần cứng, từ máy chủ trung tâm đến các máy trạm hoạt động độc lập hoặc liên kết mạng

1.3.2 Phần mềm

Phần mềm GIS cung cấp các chức năng và các công cụ cần thiết để lưu giữ, phân tích và hiển thị thông tin địa lý Các thành phần chính trong phần mềm GIS là:

- Công cụ nhập và thao tác trên các thông tin địa lý

- Hệ quản trị Cơ sở dữ liệu (DBMS)

- Công cụ hỗ trợ hỏi đáp, phân tích và hiển thị địa lý

- Giao diện đồ họa người-máy (GUI) để truy cập các công cụ dễ dàng

1.3.3 Số liệu, dữ liệu địa lí

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

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

dữ liệu không gian với các nguồn dữ liệu khác, thậm chí có thể sử dụng DBMS để tổ chức lưu giữ và quản lý dữ liệu

1.3.4 Chuyên viên

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

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

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

1.3.5 Chính sách và quản lý

Một hệ GIS thành công theo khía cạnh thiết kế và luật thương mại là được mô phỏng và thực thi duy nhất cho mỗi tổ chức Cho nên, đối với các ứng dụng và các yêu cầu khác nhau của các tổ chức, mỗi hệ GIS sẽ được xây dựng theo những phương pháp nhất định

1.4 Cấu trúc CSDL trong hệ thống thông tin địa lí (GIS)

1.4.1 CSDL không gian

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

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

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

mô tả chất lượng, số lượng của hình dạng và cấu trúc Cuối cùng, đặc trưng thông tin không gian mô tả “quan hệ và tương tác” giữa các hiện tượng tự

nhiên Mô hình không gian đặc biệt quan trọng vì cách thức thông tin sẽ ảnh hưởng đến khả năng thực hiện đến phân tích dữ liệu và khả năng hiển thị đồ họa của hệ thống

1.4.1.1 Cấu trúc dạng Vector

Tất cả các đối tượng đồ họa được quy về ba đối tượng cơ bản là: điểm, đường và vùng

- Kiểu đối tượng điểm (Points): Điểm được xác định bởi cặp giá trị tọa

độ Các đối tượng đơn, thông tin về địa lý chỉ gồm cơ sở vị trí sẽ được phản ánh là đối tượng điểm Các đối tượng điểm có đặc trưng sau:

+ Là tọa độ đơn (x,y)

+ Không cần thể hiện chiều dài và diện tích

Tỷ lệ trên bản đồ tỷ lệ lớn, đối tượng thể hiện dưới dạng vùng Tuy nhiên trên bản đồ tỷ lệ nhỏ, đối tượng này có thể hiện dưới dạng một điểm Vì vậy, các đối tượng điểm và vùng có thể được dùng phản ánh lẫn nhau

- Kiểu đối tượng đường (Arcs): Đường được xác định như một tập hợp dãy của các điểm Mô tả các đối tượng địa lý dạng hình tuyến, có các đặc điểm sau:

+ Là một dãy các cặp tọa độ

+ Một arc bắt đầu và kết thúc node

+ Các arc nối với nhau và cắt nhau tại node

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

+ Độ dài chính xác bằng các cặp tọa độ

- Kiểu đối tượng vùng (Polygons): Vùng được xác định bởi ranh giới các đường thẳng Các đối tượng địa lý có diện tích và đóng kín bởi một đường được gọi là đối tượng vùng polygon, có các đặc điểm sau:

+ Polygon được mô tả bằng tập các đường (Arcs) và điểm nhãn (label points)

+ Một hoặc nhiều arc định nghĩa đường bao của vùng

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

Như vậy: Cấu trúc dữ liệu vector bao gồm cấu trúc Vector Spagety và cấu trúc Vector Topogy

+ Cấu trúc Vector Spagety là cấu trúc dữ liệu vector không phản ánh quan hệ không gian giữa các đối tượng địa lý Nó có ưu điểm là dễ hiển thị nhưng dễ bị dư thừa dữ liệu

+ Cấu trúc Vector Topology dùng để biểu diễn quan hệ không gian giữa các đối tượng địa lý Có ba quan hệ không gian chính: Tiếp nối, tiếp giáp, bao bọc Các đối tượng không gian này được thể hiện thông qua một đối tượng hình học mới là cung và nút

Cung là một đường gấp khúc thể hiện bằng một dẫy các cặp tọa độ liên tiếp nhau, các cung chỉ được gặp nhau tại điểm đầu và cuối, không được phép giao nhau, cắt nhau Nút là điểm mà các cung gặp nhau

1.4.1.2 Cấu trúc Raster

- Cấu trúc dạng Raster mô tả một vùng bề mặt trái đất bằng một mảng hai chiều (hàng, cột) Mỗi một phần tử của mảng là một ô (pixel) Mỗi pixel thể hiện cho một vùng có diện tích nhỏ nhất của bề mặt cần mô tả Một pixel được xác định tọa độ x, y và một giá trị nào đó Đối tượng điểm thể hiện bằng một dẫy các pixel nối nhau có cùng giá trị Vùng là một tập hợp các ô kề nhau

có cùng giá trị Mô hình dữ liệu raster có các đặc điểm:

+ Các điểm được xếp liên tiếp từ trái qua phải và từ trên xuống dưới + Mỗi một điểm ảnh (pixel) chưa một giá trị

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

+ Trong CSDL có thể có nhiều lớp

- Mô hình dữ liệu raster là mô hình dữ liệu GIS được dùng tương đối phổ biến trong các bài toán về môi trường, quản lý tài nguyên thiên nhiên Mô hình dữ liệu raster chủ yếu dùng để phản ánh các đối tượng dạng vùng là ứng dụng cho các bài toán tiến hành trên các loại đối tượng dạng vùng phân loại, chồng xếp

- Các nguồn dữ liệu xây dựng nên dữ liệu raster có thể bao gồm: Quét ảnh, ảnh hàng không, ảnh viễn thám, chuyển từ dữ liệu vector sang, lưu trữ dữ liệu dạng raster, nén theo hàng (Run lengh coding), nén theo chia nhỏ thành từng phần (Quandtree), nén theo ngữ cảnh (Fractal)

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

1.4.1.3 Chuyển đổi CSDL dạng vector và raster

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

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

dữ liệu raster, hay còn gọi là raster hóa, đặc biệt cần thiết khi tự động quét ảnh Raster hóa là tiến trình chia đường hay vùng thành các ô vuông (pixel) Ngược lại, vector hóa là tập hợp các pixel để tạo thành đường hay vùng thành các ô vuông (pixcel) Ngược lại, vector hóa là tập hợp các pixcel để tạo thành đường hay vùng, dữ liệu raster không có cấu trúc tốt, thí dụ ảnh vệ tinh thì

việc nhận dạng đối tượng sẽ rất phức tạp

- Nhiệm vụ biến đổi vector sang raster là tìm tập hợp các pixcel trong không gian raster trùng khớp với vị trí của điểm, đường, đường cong hay đa giác trong biểu diễn vector Tổng quát, tiến trình biến đổi là tiến trình xấp xỉ với vùng không gian cho trước thì mô hình raster sẽ chỉ có khả năng địa chỉ hóa các vị trí tọa độ nguyên Trong mô hình vector, độ chính xác của điểm cuối vector được giới hạn bởi mật độ hệ thống tọa độ bản đồ còn vị trí khác của đoạn thẳng được xác định bởi hàm toán học

1.4.1.4 Ưu nhược điểm của hệ thống dữ liệu raster và vector

- Ưu điểm của hệ thống CSDL raster

+ Vị trí địa lý của mỗi ô được xác định bởi vị trí của ô biểu tượng, hình ảnh có thể được lưu trữ trong một mảng tương xứng trong máy tính cung cấp

đủ dữ liệu bất kỳ lúc nào Vì vậy mỗi ô có thể nhanh chóng và dễ dàng được định địa chỉ trong máy theo vị trí địa lý của nó

+ Những vị trí kế cận được hiện diện bởi các ô kế cận, vì vậy mối liên

hệ giữa các ô có thể được phân tích một cách thuận tiện

+ Quá trình được tính toán đơn giản hơn và dễ dàng hơn cơ sở hệ thống

dữ liệu vector

+ Đơn vị bản đồ ranh giới thửa đất được trình bày một cách tự nhiên bởi giá trị các ô khác nhau, khi giá trị thay đổi, việc chỉ định ranh giới thay đổi

- Nhược điểm của hệ thống CSDL raster

- Khả năng lưu trữ đòi hỏi lớn hơn nhiều so với hệ thống CSDL vector + Kích thước ô định rõ sự quyết định ở phương pháp đại diện Điều này đặc biệt khó để cân xứng với sự hiện diện đặc tính thuộc về đường thẳng

Thường thì hầu như hình ảnh gần thì nối tiếp nhau, điều này có nghĩa là

nó phải tiến hành một bản đồ hoàn chỉnh chính xác để thay đổi một ô đơn Quá trình tiến hành của dữ liệu về kết hợp thì chiếm nhiều chỗ hơn với 1 hệ

- Ưu điểm của hệ thống CSDL vector

+ Việc lưu trữ được đòi hỏi ít hơn hệ thống CSDL raster

+ Bản đồ gốc có thể được hiện diện ở sự phân giải gốc của nó

+ Đặc tính phương pháp như là các kiểu đường xá, sông suối, đất đai có thể được khôi phục lại và tiến triển một cách đặc biệt

+ Điều này dễ hơn để kết hợp trạng thái khác nhau của phương pháp mô

tả dữ liệu với một đặc tính phương pháp đơn

+ Hệ số hóa các bản đồ không cần được khôi phục lại từ hình thức raster

+ Dữ liệu lưu trữ có thể được tiến triển trong bản đồ kiểu dạng đường thẳng mà không một raster để sự khôi phục vector

- Nhược điểm của hệ thống CSDL vector

+ Vị trí của điểm đỉnh cần được lưu trữ một cách rõ ràng

+ Mối quan hệ của những điểm này phải được định dạng trong một cấu trúc thuộc về địa hình học, mà nó có lẽ khó để hiểu và điều khiển

+ Thuật toán cho việc hoàn thành chức năng thì hoàn toàn tương đương trong hệ thống CSDL raster là quá trình phức tạp và việc hoàn thành có lẽ là không xác thực

+ Sự thay đổi một cách liên tiếp dữ liệu thuộc về không gian không thể được hiện diện như raster Một sự khôi phục để raster được yêu cầu tiến hành

dữ liệu kiểu này

1.4.2 CSDL thuộc tính

Là những mô tả về đặc tính, đặc điểm và các hiện tượng xảy ra tại các

vị trí địa lý xác định Một trong các chức năng đặc biệt của công nghệ GIS là khả năng của nó trong việc liên kết và xử lý đồng thời giữa dữ liệu bản đồ và

dữ liệu thuộc tính Thông thường hệ thống thông tin địa lý có bốn loại số liệu thuộc tính:

-Đặc tính của đối tượng: Liên kết chặt chẽ với các thông tin không gian

có thể thực hiện SQL (Structure Query Language) và phân tích

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

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

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

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

- Có thể nằm tại một vị trí xác định trên bản đồ

- Có thể chạy dọc theo arc

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

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

- Có thể tạo thông tin CSDL lưu những thuộc tính

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

- Không có liên kết với các đối tượng điểm, đường, vùng dữ liệu

thuộc tính của chúng

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

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

về bản thân các hình ảnh bản đồ Thay vào đó chúng mô tả các danh mục hoặc các hoạt động liên quan đến các vị trí địa lý xác định Các thông tin tham khảo địa lý đặc trưng được lưu trữ và quản lý trong các file độc lập và hệ thống không thể trực tiếp tổng hợp chúng với các hình ảnh trong bản đồ trong CSDL của hệ thống Tuy nhiên các bản ghi này chứa các yếu tố xác định vị trí

cả sự kiện hay hiện tượng

- Chỉ số địa lý: Được lưu trữ trong hệ thống thông tin địa lý để chọn, liên kết và tra cứu số liệu trên cơ sở vị trí địa lý mà chúng đã được mô tả bằng các chí số địa lý xác định Một chỉ số có thể bao gồm nhiều bộ xác định cho các thực thể địa lý sử dụng từ các cơ quan khác nhau như lập danh sách các

mã địa lý mà chúng xác định mối quan hệ không gian giữa các vị trí hoặc giữa các hình ảnh hay thực thể địa lý Ví dụ chỉ số địa lý về đường phố và chỉ số địa lý có liên quan tới đường phố đó

- Mối quan hệ không gian: Các thực thể tại vị trí cụ thể rất quan trọng cho các chức năng xử lý của hệ thống thông tin địa lý Các mối quan hệ không gian có thể là mối quan hệ đơn giản hay logic Quan hệ Toplogy cũng

là một quan hệ không gian, các quan hệ không gian có thể được mã hóa như các thông tin thuộc tính hoặc ứng dụng thông qua giá trị tọa độ của các thực thể

- Mối quan hệ giữa các dữ liệu không gian và phi không gian: Thể hiện phương pháp chung để liên kết hai loại dữ liệu đó thông qua bộ xác định, lưu trữ đồng thời các thành phần không gian Các bộ xác định có thể đơn giản là một số duy nhất liên tục, ngẫu nhiên hoặc các chỉ báo địa lý hay số liệu xác

định vị trí lưu trữ chung Bộ xác định cho một thực thể có thể chứa tọa độ phân bố cả nó, số hiệu mảnh bản đồ, mô tả khu vực hoặc con trỏ đến vị trí lưu trữ của số liệu liên quan

1.4.3 Mối liên kết dữ liệu

Mối liên kết dữ liệu thuộc tính và dữ liệu không gian có thể được thể hiện bằng cách đặt dữ liệu thuộc tính vào đúng vị trí của dữ liệu không gian Cách thứ hai để thực hiện mối liên hệ này là xắp xếp các dữ liệu không gian

và dữ liệu thuộc tính theo cùng một trình tự, sau đó gán mã duy nhất cho cả hai dữ liệu Mối liên kết đảm bảo cho mỗi đối tượng bản đồ đều được gắn liền với các thông tin thuộc tính, phản ánh đúng hiện trạng và các điểm riêng biệt của đối tượng, đồng thời qua đó người sử dụng dễ dàng tra cứu, tìm kiếm và chọn lọc các đối tượng theo yêu cầu thông qua bộ xác định hay chỉ số index Như vậy, hệ thống thông tin địa lý là môi trường quản lý và sử lý các thông tin không gian và thông tin thuộc tính từ hệ thống định vị vệ tinh và hệ thống

- Phương pháp cộng (sum)

- Phương pháp nhân (mutiply)

- Phương pháp trừ (substract)

- Phương pháp chia (divide)

- Phương pháp tính trung bình (average)

- Phương pháp hàm số mũ (exponent)

- Phương pháp che (cover)

- Phương pháp tổng hợp (crosstabulation)

1.5.2 Khả năng phân loại các thuộc tính

Một trong những điểm nổi bật trong tất cả các chương trình của GIS trong việc phân tích các thuộc tính số liệu thuộc về không gian là khả năng của nó để phân loại các thuộc tính nổi bật của bản đồ Một lớp bản đồ mới được tạo ra mang giá trị mới, mà nó được tạo thành dựa vào bản đồ trước đấy Việc phân loại bản đồ rất quan trọng vì nó cho ra các mẫu khác nhau Một trong những điểm quan trọng trong GIS là giúp để nhận biết các mẫu đó

1.5.3 Khả năng phân tích

- Tìm kiếm (searching): Dữ liệu được mã hóa trong quan hệ vetor sử dụng cấu trúc lớp hoặc lớp phủ thì dữ liệu được nhóm lại với nhau sao cho có thể tìm kiếm một lớp một cách dễ dàng Trong GIS phương pháp này khó khăn khi mỗi một thành phần có nhiều thuộc tính Một hệ lớp đơn giản yêu cầu dữ liệu đối với mỗi lớp phải được phân lớp mỗi khi đưa vào

- Vùng đệm (buffer zone): Như ta đã biết rằng mỗi đường biên bên trong thì gọi là lõi còn nếu bên ngoài đường biên thì gọi là đệm Vùng đệm sử dụng nhiều thao tác phân tích và mô hình hóa không gian

- Nội suy (spatian interpolasion): Trong điều kiện thông tin cho ít điểm, đường hay vùng lựa chọn thì nội suy hay ngoại nội suy phải thực hiện để có nhiều thông tin hơn

- Tính diện tích (are calculation): Phương pháp thủ công là đếm ô, cân trọng lượng, đo thước tỷ lệ và phương pháp GIS

- Dữ liệu vector: Chia nhỏ bản đồ dưới dạng đa giác

- Dữ liệu raster: Tính diện tích của một ô, sau đó nhân diện tích này với

số lượng ô của bản đồ

Với các chức năng trên, kỹ thuật GIS có khả năng giải đáp được các dang câu hỏi như sau:

- Vị trí của đối tượng nghiên cức: Quản lý và cung cấp vị trí của các đối tượng theo yêu cầu bằng các cách khác nhau như tên địa danh, vị trí, tọa độ

- Điều kiện về thuộc tính của đối tượng: Thông qua phân tích các dữ liệu không gian cung cấp các sự kiện tồn tại hoặc xẩy ra tại một điểm nhất định hoặc xác định các đối tượng thỏa mãn các điều kiện đặt ra

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

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

1.6 Xử lý thông tin bản đồ trong GIS

1.6.1 Cấu trúc của thông tin bản đồ

1.6.1.1 Sự phản ánh lại các đối tượng địa lý

Để phản ánh toàn bộ các thông tin cần thiết của bảo đồ dưới dạng đối tượng địa lý còn được phản ánh theo cấu trúc phân mảnh và phân lớp thông tin

- Cấu trúc phân mảnh: Một đối tượng địa lý về mặt không gian có thể liên tục trên phạm vi rộng Tuy nhiên trong CSDL GIS, do hạn chế về các lý

do kỹ thuật như khả năng lưu trữ, xử lý, quản lý dữ liệu mà các đối tượng địa

lý lưu trữ dưới dạng các mảnh (mapsheet, tile) Tuy nhiên, khái niệm chia mảnh trong CSDL GIS không hoàn toàn đồng nhất với khái niệm chia mảnh bản đồ thông thường Một mảnh (tile) trong CSDL GIS có thể có hình dạng bất kỳ miễn sao cho phù hợp với khả năng quản lý và xử lý của hệ thống Tuy nhiên xu hướng hiện nay, các hệ thống GIS đã cung cấp những công cụ cho phép người sử dụng tự động quản lý các mảnh trong CSDL Một số GIS tiến

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

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

sử dụng lâu dài của CSDL không gian

1.6.1.2 Mô hình phân lớp đối tượng

- Mô hình Vector: Mô hình dữ liệu vector coi hiện tượng là tập các thực thể không gian cơ sở và tổ hợp giữa chúng Trong mô hình hai chiều thì đối tượng sơ đẳng bao gồm điểm, đường và vùng, mô hình ba chiều còn áp dụng

bề mặt ba chiều khối Các đối tượng sơ đẳng được hình thành trên cơ sở Vector hay tọa độ của các điểm trong một hệ trục nào đó Tỷ lệ trên bản đồ tỷ

lệ lớn, đối tượng thể hiện dưới dạng vùng, tuy nhiên trên bản đồ tỷ lệ nhỏ, đối tượng này thể hiện dưới dạng một điểm Như vậy, mô hình dữ liệu vector sử dụng các đoạn thẳng hay điểm rời rạc để nhận biết các vị trí của thế giới thực

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

- Cấu trúc dữ liệu toàn đa giác: Mỗi lớp trong CSDL của cấu trúc toàn

đa giác được chia thành tập hợp các đa giác Mỗi đa giác được mã hóa thành trật tự các vị trí hình thành đường biên của vùng khép kín theo một hệ trục nào đó Trong cấu trúc này không có tham số để biết ngay các vùng kề khác nhau Do quản lý của từng đa giác như các đối tượng tách biệt cho nên không

có tổ chức topo trong hệ thống này Trong cấu trúc đa giác thì các đoạn xác định đa giác được lưu hai lần trong CSDL Một số điểm tạo nên các cạnh đa

giác sẽ lưu được nhiều lần Do vậy việc cập nhật, sửa đổi dữ liệu trong tổ chức dữ liệu không gian loại này là rất khó khăn

- Cấu trúc cung – nút: Quan hệ không gian của liên kết và gần kề là những thí dụ của quan hệ topo Thông tin về vùng gần kề được lưu trữ bằng

mã đặc trưng liên quan đến phía phải hay phía trái của cung Phải hay trái được xác định hướng đi của cung, từ nút hay đến nút Để tự phân biệt đường biên trong và đường biên ngoài, ta quy định chiều quay kim đồng hồ cho đường biên ngoài và ngược chiều quay kim đồng hồ cho đường biên trong Mỗi nút được gắn danh sách cung bao quanh, danh sách cung nối vào nút phải được xếp đặt theo trật tự xác định trước, theo chiều quay kim đồng hồ hay ngược lại

- Mô hình Raster: Mô hình dữ liệu dạng raster phản ánh toàn bộ vùng nghiên cứu dưới dạng một lưới các điểm cell hay điểm ảnh pixel Các hệ thống trên cơ sở raster hiển thị, định vị và lưu trữ dữ liệu đồ họa nhờ sử dụng các ma trận hay lưới các điểm ảnh Độ phân giải dữ liệu raster phụ thuộc vào kích thước hay độ phân giải của các pixcel Một điểm có thể là một điểm ảnh, một đường là vài điểm ảnh liền kề nhau, một vùng là nhiều điểm ảnh

- Mô hình lưới dữ liệu tam giác không đều (TIN): Trong bản đồ học thì phương pháp truyền thống để biểu diễn bề mặt địa hình là đường bình độ, tuy nhiên đường bình độ không thuận tiện cho mục đích phân tích Vì vậy nếu dữ liệu là đường bình độ thì thông thường chuyển sang phương pháp biểu diễn địa hình chung nhất của hệ thống GIS lưới tam giác không đều (TIN) Mô hình TIN sẽ bao gồm dãy tam giác không phủ nhau bao chùm toàn bộ bề mặt topo, mỗi tam giác xác định một mặt phẳng, đỉnh của tam giác được mã hóa bởi vị trí của chúng và gắn theo độ cao Khoảng cách không đều của các điểm

độ cao dẫn tới ta có tập tam giác có kích thước và hình dáng khác nhau, nơi các điểm dữ liệu gần nhau thì vùng nghiên cứu sẽ thay đổi độ cao nhanh, nơi

điểm dữ liệu xa nhau thì kích thước tam giác tăng nhanh GIS chứa dữ liệu cao trong mô hình TIN cho phép tính toán độ dốc rất hiệu quả, chúng cho phép phát sinh đường bình độ hay phác họa ảnh vùng nghiên cứu

1.6.2 Chuẩn thông tin bản đồ

1.6.2.1 Chuẩn về hệ thống tọa độ bản đồ

Dữ liệu bản đồ số lưu trong CSDL phải được đưa về hệ thống tọa độ và

độ cao quốc gia trong một hệ chiếu thống nhất VN2000

1.6.2.2 Chuẩn về các sai số

Sai số dữ liệu là một yếu tố phải tính toán khi xây dựng CSDL bản đồ Đối với những loại ứng dụng khác nhau, sai số dữ liệu cho phép cũng có thể khác nhau

1.6.2.3 Chuẩn về cách phân mảnh, đánh phiên hiệu mảnh bản đồ số

Để có thể dễ dàng trong quản lý, xử lý mảnh và trợ giúp quá trình tự động hóa xử lý trên mảnh, yêu cầu về chuẩn cách phân mảnh, đánh phiên hiệu mảnh là bắt buộc phải có

1.6.2.4 Chuẩn về phân lớp thông tin

Đây là một chuẩn quan trọng đặc biệt trong xây dựng CSDL chuẩn đòi hỏi mọi thông tin lưu trữ trong CSDL phải tuân theo các lớp thông tin đã được xác định trước cho CSDL Bảng phân lớp thông tin phải thể hiện đầy đủ các dữ liệu cần lưu trữ mà không quá tổng quát, hoặc quá chi tiết Chuẩn về tính quan hệ, tương hỗ các lớp thông tin khác nhau

1.6.2.5 Chuẩn về mô hình dữ liệu lưu trữ và mô tả không gian

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

- Chuẩn về mô hình dữ liệu:

Lựa chọn mô hình nào vector (có/không có topogy) hoặc raster cho dữ

liệu địa lý, mô hình CSDL quan hệ cho dữ liệu thuộc tính

- Chuẩn về fomat lưu trữ dữ liệu:

+ Dữ liệu Vector theo DXF, DGN, Arcinfo hoặc Ilwis….vv + Dữ liệu raster theo GRD, TIF, BMP, JPG, JPEG….vv

+ Dữ liệu thuộc tính theo DBF, MSSQL, TXT, hoặc ORACLE

Chương 2

SỬ DỤNG CÁC KẾT QUẢ ĐO VẼ ẢNH SỐ ĐỂ XÂY DỰNG

CƠ SỞ DỮ LIỆU GIS

2.1 Cơ sở lý thuyết thành lập bản đồ địa hình bằng công nghệ ảnh số 2.1.1 Cơ sở lý thuyết đo vẽ ảnh số

2.1.1.1 Khái niệm về ảnh số

Trong phương pháp đo ảnh nói chung, ảnh được biểu diễn như một hàm f(x,y), liên tục về không gian và giá trị độ sáng với hai biến tọa độ x và y Sự khác biệt cơ bản của phương pháp đo ảnh số với phương pháp đo ảnh tương

tự và đo ảnh giải tích là quá trình số hóa và xử lý thông tin bức xạ của ảnh Để tiến hành các công đoạn đo vẽ ảnh trên trạm ảnh số, trước hết cần số hóa ảnh tương tự Số hóa ảnh là quá trình biến đổi tín hiệu liên tục thành tín hiệu rời rạc thông qua việc lấy mẫu để biến ảnh tương tự thành một tập hợp các điểm ảnh rời rạc với vị trí (x,y) và giá trị xám của ảnh tương tự cũng được rời rạc hóa và biểu thị bằng mức xám tương ứng của từng điểm ảnh

Quá trình lượng tử hóa ảnh liên quan đến độ phân giải theo vị trí tọa độ (x,y) của điểm ảnh và lượng tử hóa giá trị độ xám của phần tử ảnh (pixel) Trong phương pháp ảnh số thì một ảnh được biểu diễn bằng các phần tử của ảnh được gọi là pixel Như vậy mỗi ảnh số là một tập hợp các pixel Mỗi điểm ảnh tương ứng với một pixel được mô tả bằng hàm số ảnh với các biến tọa độ điểm ảnh (x,y) và giá trị độ xám của nó (D) như sau:

f(x,y,D)

với giá trị hàm được giới hạn trong pham vi các số nguyên dương, tức là:

0 ≤ f(x,y,D) ≤ fmax

Trong đó fmax là lượng thông tin tối đa được lưu trữ (fmax = 28 = 256)

Tấm ảnh khi quét là một hàm liên tục về độ xám, do đó hàm độ xám D là cần

được rời rạc hóa thành các phần tử nhỏ và gán cho một giá trị nhất định Quá trình chia nhỏ hàm độ xám D thành những phần tử nhỏ (pixel) gọi là quá trình lấy mẫu, quá trình gán mức độ xám D trong mẫu để nhận một giá trị nhất định bằng số gọi là phép lượng tử hóa Trong kỹ thuật số hóa hiện nay số lượng mức độ xám trong mỗi pixel được xác định bằng một trong 256 bậc độ xám tính trong hệ nhị phân Nhờ quá trình rời rạc hóa, lượng tử hóa mà tấm ảnh tương tự là nguồn tin nguyên thủy liên tục trở thành nguồn tin hữu hạn và tấm ảnh trở thành tấm ảnh số

Vậy ảnh số là tập hợp các pixel được xác định bằng các mức độ xám nhất định và có dạng hình vuông hay hình chữ nhật

2.1.1.2 Các tính chất cơ bản của ảnh số

* Lượng tử hóa ảnh

Lượng tử hóa ảnh là bước chuyển từ thông tin liên tục sang thông tin rời rạc của ảnh hay còn gọi là quá trình số hóa ảnh Sau khi lượng tử hóa ảnh thu được ảnh rời rạc về không gian và tín hiệu bức xạ

Rời rạc hóa về mặt không gian: bước này tạo ra tấm ảnh bao gồm các phần tử ảnh (pixel) Kích thước của pixel gọi là độ phân giải của ảnh, quá trình này được thực hiện thông qua bộ cảm biến quét ảnh CCD (Change Couple Device)

Rời rạc hóa về bước xạ: đây là quá trình chia tấm ảnh thành các phần, mỗi phần sẽ được gán một giá trị độ xám

Trên thực tế người ta tiến hành quá trình rời rạc hóa về không gian và sau đó gán giá trị độ xám cho pixel luôn Như vậy mỗi pixel có một độ xám duy nhất Có ba phương pháp gán thường sử dụng là: phương pháp người láng giềng gần nhất, phương pháp nội suy hàm song tuyến và phương pháp xoắn bạc ba

* Giá trị xám

Hình 2.1 Lược đồ độ xám của ảnh

a Biểu đồ cột giá trị xám hay lược đồ xám của ảnh:

Giá trị xám của ảnh được biểu diễn bằng biểu đồ cột giá trị xám hay còn gọi là lược đồ xám (Histogram) Lược đồ xám cung cấp tần suất xuất hiện của mỗi mức độ xám

Lược đồ độ xám được biểu diễn trong hệ tọa độ vuông góc, trong đó trục hoành biểu diễn mức xám từ 0 đến N (N là số mức xám cần xét), trục tung biểu diễn số điểm ảnh có cùng độ xám

Lược đồ xám là phương tiện trợ giúp trong kỹ thuật phân tích ảnh theo phương pháp thống kê Dựa vào lược đồ xám của ảnh có thể suy ra các tính chất quan trong của ảnh, như giá trị xám trung bình hoặc độ tản mạn của giá trị xám

Mục đích của biểu đồ cột giá trị độ xám là:

- Cung cấp tần suất xuất hiện biểu đồ cột giá trị độ xám

- Giúp nâng cao khả năng nâng cao chất lượng ảnh số

b Ma trận chuyển tiếp giá trị độ xám:

Ma trận chuyển tiếp các giá trị độ xám là một công cụ hỗ trợ để có thể

có được những nhận xét về cấu trúc của ảnh Do đó cần phải tính toán xác định mối quan hệ về giá trị xám giữa hai điểm ảnh trên một khoảng cách cho trước

hệ thống phần mềm đo vẽ ảnh Photomod (Nga) và 3D-Mapper (Úc) làm việc trên các PC thông thường

Ảnh hàng không được số hóa qua quá trình quét ảnh trên các máy quét (PhotoScaner) có độ phân giải cao Sau đó ảnh số được đưa vào máy tính (Trạm đo ảnh số) cùng với các số liệu trắc địa gốc như tọa độ, độ cao của các điểm khống chế ảnh ngoại nghiệp, các số liệu đo được trong quá trình bay chụp ảnh, … Trạm đo ảnh số có khả năng thực hiện các chức năng của công đoạn đo vẽ ảnh bằng các hệ thống thiết bị phần cứng và phần mềm tương ứng Sản phẩn nhận được từ quá trình xử lý ảnh rất đa dạng, phụ thuộc vào yêu cầu của người sử dụng; có thể là bản đồ số, bản đồ giấy, ảnh nắn hay bình đồ trực ảnh, mô hình số địa hình (DTM), mô hình số độ cao (DEM), …; có thể được

Ảnh tương tự

(Ảnh hàng không,

ảnh mặt đất)

Máy quét ảnh (PhotoScaner)

Số liệu gốc (Số liệu trắc địa)

Cung cấp thông tin cho GIS/LIS

ghi ra đĩa CD-ROM để lưu trữ; cũng có thể được hiển thị trên màn hình để quan sát Mọi thông tin về bề mặt địa hình có thể kiết xuất các hệ thống thông tin địa lý – GIS, hay hệ thống đất đai – LIS nhằm kết hợp với các nguồn thông tin khác nhau để lưu trữ, quản lý, phân tích và khai thác một cách có hiệu quả nhất phục vụ cho nhu cầu của các ngành kinh tế quốc dân và quốc phòng

Việc áp dụng công nghệ đo ảnh số trong sản xuất đã đem lại hiệu suất lao động và hiệu quả kinh tế cao; giảm cường độ lao động nặng nhọc đơn điệu của các tác nghiệp viên, nâng cao độ chính xác của thành quả; đồng thời quy trình sản xuất còn cho ra các sản phẩm đa dạng và hoàn hảo hơn nhiều công nghệ đo ảnh truyền thống trước đây

Ở Việt Nam hiện nay công nghệ đo ảnh số đang ở giai đoạn bắt đầu ứng dụng và đang dần chứng tỏ được ưu thế hiện đại của nó trong thực tế sản xuất Nhưng do thiết bị quá đắt, mặt khác khả năng khai thác công nghệ mới còn kém hiệu quả Do vậy, vấn đề cần được quan tâm hiện nay là khẩn trương đào tạo các cán bộ kỹ thuật có thể khai thác có hiệu quả các thiết bị và công nghệ mới; đổi mới quy trình, ứng dụng vào thực tiễn sản xuất những thành tựu mới nhất, tiên tiến nhất phù hợp với xu thế phát triển của thế giới

Các thiết bị trên liên kết với nhau thành một hệ thống hoàn chỉnh

2.1.3.1 Máy quét ảnh (PhotoScaner)

Trong công nghệ xử lý ảnh số, máy quét ảnh là thiết bị quan trọng, đảm

nhiệm thông tin đầu vào nhằm biến ảnh tương tự thành dạng ảnh số hoàn toàn

tự động Đây chính là khâu quan trong và cần thiết nhất, độ chính xác của quá trình quét ảnh quyết định tới độ chính xác của tất cả các công đoạn xử lý tiếp theo

Máy quét ảnh là thiết bị đầu vào thực hiện chức năng biến đổi ảnh tương tự thành ảnh số

Máy quét ảnh là nền tảng của các kỹ thuật xử lý ảnh số được nhiều hãng nổi tiếng thế giới sản xuất như: Optronics (USA), Scitex (Israel), Syscan (Nauy), Laserscan (Anh), Helava-Leica (Mỹ - Thụy Sỹ), CarlZeis (Đức), … Dựa vào nguyên lý hoạt động có thể phân máy quét ảnh ra làm hai loại sau:

- Dạng hình trống (Drum Scaner)

- Dạng hình đế phẳng (Flatbed Scaner)

Máy quét dạng hình trống thường dùng hai ống cực làm thiết bị quét Ở đây ánh sáng đi từ nguồn sáng qua một lăng kính chuyển động, qua tiếp phim ảnh đặt trên đế chuyển động hình trống làm bằng thủy tinh và tới ống hai và độ xám của hình ảnh quét được rời rạc hóa Dạng máy quét này có cấu tạo cơ học phức tạp và độ chính xác hình học quét ảnh không cao

Với tiến bộ của thiết bị ghi hình CCD, và nhờ tính ổn định cao về hình học, nên các máy quét ảnh sử dụng CCD được ứng dụng phổ biến Có hai dạng máy quét ảnh đế phẳng đó là CCD dạng bảng và CCD dạng thanh Trong các máy quét ảnh dạng này, ánh sáng từ nguồn sáng đi qua phim được đặt trên tấm kính phẳng tới CCD Tất cả các máy quét ảnh chuyên dụng hiện nay sử dụng công nghệ đo vẽ ảnh số đều có dạng đế phẳng

2.1.3.2 Trạm đo ảnh số - DPWS (Digital Photogrammetric WrokStation) Trạm đo ảnh số có chức năng xử lý các thông tin đưa vào như ảnh số, các số liệu trắc địa gốc, các số liệu đo trong quá trình bay chụp ảnh, … cũng

Hình 2.3: Sơ đồ trạm đo ảnh số

như chức năng điều khiển các thiết bị đầu vào, đầu ra của toàn bộ hệ thống Trạm đo ảnh số phải là máy tính cỡ lớn, máy PC có cấu hình mạnh

2.1.3.3 Máy in

Cũng như trong công nghệ đo vẽ truyền thống, sản phẩm của đo vẽ ảnh

số là bản đồ có thể được thể hiện trên giấy Để thực hiện chức năng này trong

hệ thống đo vẽ người ta sử dụng máy in Máy in là thiết bị đầu ra cho phép chuyển đổi dữ liệu số sang dữ liệu dạng đồ họa đưa ra giấy, nhựa trong, màng khắc, hay các dạng nền chuyên dụng khác

Màn lập thể độ

phân giải cao

- Bộ xử lý trung tâm (CPU)

- Bộ xử lý đồ họa

- Băng từ R/W

- Đĩa quang, ROM