Ứng dụng công nghệ viễn thám, hệ thông tin địa lý và gps để xây dựng cơ sở dữ liệu giao thông phục vụ mục đích quân sự

Xuất phát từ những nhu cầu thực tế trên, luận văn “ứng dụng công nghệ viễn thám, hệ thông tin địa lý và GPS để xây dựng cơ sở dữ liệu giao thông phục vụ mục đích quân sự” nhằm đưa ra mộ

Vũ Duy điển c Mỏ - địa chất

ứng dụng công nghệ viễn thám,

hệ thông tin địa lý và gps để xây dựng

cơ sở dữ liệu giao thông phục vụ

trường đại học mỏ - địa chất

Vũ Duy điển c Mỏ - địa chất

ứng dụng công nghệ viễn thám,

hệ thông tin địa lý và gps để xây dựng

cơ sở dữ liệu giao thông phục vụ

Lêi cam ®oan

T«i xin cam ®oan ®©y lµ c«ng tr×nh nghiªn cøu cña riªng t«i

C¸c sè liÖu, kÕt qu¶ nªu trong luËn v¨n lµ trung thùc vµ ch−a tõng ®−îc

ai c«ng bè trong bÊt kú c«ng tr×nh nµo kh¸c

T¸c gi¶ luËn v¨n

Mục lục

Lời cam đoan iii

Mục lục iv

Trang phụ bìa iv

Trang iv

Danh mục các ký hiệu, chữ viết tắt vii

Danh mục các bảng ix

Danh mục các hình vẽ x

Mở ĐầU 1

Chương 1 - Tổng quan về hệ thông tin địa lý, viễn thám và GPS 5

1.1 Khái quát Hệ thống thông tin địa lý (GIS) 5

1.1.1 Định nghĩa 6

1.1.2 Mô hình và cấu trúc dữ liệu 8

1.1.3 Các chức năng chính 10

1.2 Khái quát về viễn thám 12

1.2.1 Định nghĩa 12

1.2.2 Hệ thống viễn thám 12

1.2.3 Một số hệ thống vệ tinh viễn thám cơ bản 14

1.2.4 Tư liệu viễn thám 16

1.2.5 Phương pháp xử lý tư liệu 18

1.3 Khái quát về GPS 20

1.3.1 Lịch sử ra đời của hệ thống GPS 20

1.3.2 Hệ thống GPS 22

1.3.3 Một số phương pháp định vị GPS 25

Chương 2 - cơ sở dữ liệu giao thông phục vụ mục đích quân sự 29

2.1 Khái quát về cơ sở dữ liệu 29

2.1.1 Khái niệm cơ sở dữ liệu 29

2.1.2 Hệ quản trị cơ sở dữ liệu và hệ thống cơ sở dữ liệu 30

2.1.3 Môi trường cơ sở dữ liệu 31

2.1.4 Mô hình cơ sở dữ liệu 33

2.2 Phương pháp xây dựng cơ sở dữ liệu 38

2.2.1 Phương pháp xây dựng cơ sở dữ liệu theo mô hình tệp 38

2.2.2 Phương pháp xây dựng CSDL theo mô hình quan hệ đối tượng trên nền công nghệ ArcGIS 38

2.2.1 Phương pháp xây dựng CSDL theo mô hình quan hệ đối tượng nguồn mở PostGIS/PostgreSQL 39

2.3 Khái niệm các chuẩn thông tin địa lý cơ sở quốc gia 40

2.3.1 Mô hình cấu trúc dữ liệu 40

2.2.2 Mô hình khái niệm dữ liệu không gian 42

2.2.3 Mô hình khái niệm dữ liệu thời gian 45

2.2.4 Mô hình khái niệm danh mục đối tượng 46

2.2.5 Hệ quy chiếu, hệ toạ độ 47

2.2.6 Siêu dữ liệu cơ sở 48

2.2.7 Tiêu chí đánh giá chất lượng cơ sở dữ liệu 49

2.2.8 Quy chuẩn trình bày dữ liệu địa lý 49

2.2.9 Lược đồ ứng dụng UML, quy tắc xây dựng và chuyển đổi 50

Chương 3 - Tích hợp sử dụng công nghệ 3S để thành lập cơ sở dữ liệu giao thông phục vụ mục đích quân sự 51

3.1 Yêu cầu cơ bản đối với CSDL giao thông phục vụ mục đích quân sự 51

3.1.1 Đối tượng trong cơ sở dữ liệu mạng giao thông vận tải quân sự 51

3.1.2 Các dữ liệu tích hợp trong CSDL giao thông 52

3.2 Quy trrình công nghệ 52

3.2.1 Sơ đồ quy trình công nghệ 52

3.2.2 Giải thích sơ đồ quy trình công nghệ 53

3.3 Các giải pháp kỹ thuật 55

3.3.1 Giải pháp sử dụng công nghệ viễn thám 55

3.3.2 Giải pháp sử dụng công nghệ GPS 65

3.3.3 Giải pháp sử dụng công nghệ GIS 65

Chương 4 - Thử nghiệm xây dựng cơ sở dữ liệu giao thông 70 phục vụ mục đích quân sự 70

4.1 Yêu cầu nhiệm vụ 70

4.1.1 Yêu cầu 70

4.1.2 Nhiệm vụ 71

4.2 Đặc điểm khu vực thi công 71

4.2.1 Đặc điểm địa lý tự nhiên 71

4.2.2 Đặc điểm kinh tế, chính trị, xã hội 72

4.3 §èi t−îng vµ néi dung cËp nhËt th«ng tin 72

4.3.1 §èi t−îng cËp nhËt th«ng tin 72

4.3.2 Néi dung cËp nhËt th«ng tin 72

4.4 X©y dùng c¬ së d÷ liÖu 75

4.4.1 T×nh h×nh t− liÖu 75

4.4.2 C¬ së to¸n häc 75

4.4.3 ThiÕt kÕ m« h×nh c¬ së d÷ liÖu 75

4.4.4 X©y dùng hÖ thèng CSDL b»ng c«ng nghÖ ArcGIS 81

4.4.3 Xö lý ¶nh vÖ tinh, cËp nhËt th«ng tin vµo CSDL 81

4.4.6 Xö lý sè liÖu ®o GPS, cËp nhËt th«ng tin vµo c¬ së d−c liÖu 82

4.4.7 Qu¶n trÞ vµ khai th¸c hÖ thèng c¬ së d÷ liÖu 83

4.5 KÕt qu¶ thö nghiÖm 85

4.6 §¸nh gi¸ hiÖu qu¶ 85

kÕt luËn vµ kiÕn nghÞ 86

phô lôc 88

Danh mục các ký hiệu, chữ viết tắt

CSDL Cơ sở dữ liệu

ArcSDE GDB ArcSDE Geodatabase là CSDL không gian địa lý dạng quan

hệ đa người dùng có khả năng lưu trữ dữ liệu địa lý lớn, có sử dụng các hệ quản trị quản trị CSDL như Oracle 10g hay SQL Server

BIL Band Interleaved by Line: Khuôn dạng ghi của tư liệu viễn

thám; thông tin lưu trữ trình tự theo dòng quét

CAD Computer Aided Design: Máy tính trợ giúp thiết kế

FGDB File Geodatabase là CSDL không gian địa lý theo tệp được

dùng trong ArcGIS, có khả năng lưu trữ dữ liệu lớn tối đa là 1TB

DGN Định dạng tệp đồ họa của phần mềm MicroStation

ECW Định dạng tệp nén ảnh: giải pháp giảm dung lượng các tệp

ảnh lớn mà vẫn bảo toàn thông tin và độ nét hình ảnh

GIS Geographic Information System: Hệ thống thông tin địa lý GML Geography Markup Language: Ngôn ngữ đánh dấu địa lý

dùng để mã hóa trao đổi dữ liệu địa lý

GDB Geodatabase: CSDL không gian địa lý là bộ sưu tập các tập dữ

liệu địa lý được lưu trữ theo 3 loại chính sau: thư mục các file

hệ thống hay CSDL Access, hay CSDL đa người dùng như SQL Server, Oracle, DB2

GPS Global Positioning System: Hệ thống định vị toàn cầu

HTML HyperText Markup Language: Ngôn ngữ đánh dấu siêu văn

bản được dùng để thiết kế các trang Web

ISO International Standard Organization - Tổ chức tiêu chuẩn quốc

tế

LAN Local Area Network: Mạng nội bộ

LSC Least Square Collocation - Phương pháp nội suy

MDL MicroStation Development Language: Ngôn ngữ lập trình

phát triển cho phần mềm MicroStation

Metadata Siêu dữ liệu

OGC Open GIS Consortium - Hiệp hội GIS mở, một tổ chức bao

gồm các công ty, các trường đại học, các viện nghiên cứu lập

ra để cùng thiết lập các chuẩn phục vụ trao đổi dữ liệu địa lý

PC Personal Computer: Máy tính cá nhân

PGDB Personal Geodatabase là CSDL không gian địa lý đơn lẻ được

xây dựng cho một người dùng sử dụng CSDL Access với dung lượng tối đa không quá 2GB

RS Remote Sensing: Công nghệ Viễn thám

SHP Chuẩn khuôn dạng tệp đồ họa trong phần mềm ArcGIS

SQL Structured Query Language: Ngôn ngữ truy vấn cấu trúc được

dùng để truy cập CSDL

TC 211 Technical Committee 211: Uỷ ban chuẩn hóa thông tin địa lý

thuộc tổ chức tiêu chuẩn hoá quốc tế, ban hành bộ tiêu chuẩn mang mã hiệu ISO - 19100

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

Danh mục các bảng

Bảng 1.1 Các thông số kỹ thuật của bộ cảm TM của LANDSAT 14

Bảng 1.2 Các thông số chính của bộ cảm HRV của SPOT-5 15

Bảng 2.1 Các loại hệ trục cơ sở tương ứng với các hệ toạ độ 47

Bảng 4.1 Danh mục đối tượng địa lý CSDL giao thông quân sự 76

Bảng 4.2 Các kiểu đối tượng địa lý thuộc lớp đường bộ 77

Bảng 4.3 Một số thuộc tính của các kiểu đối tượng địa lý mở rộng 78

Bảng 4.4 Các tiêu chí đánh giá chất lượng dữ liệu 79

Bảng 4.5 Độ chính xác nắn ảnh theo điểm kiểm tra và điểm khống chế 81

Bảng 4.6 Quản trị hệ thống 84

Danh mục các hình vẽ

Hình 1.1 GIS, GPS và viễn thám với công nghệ thành lập bản đồ số 6

Hình 1.2 Cấu trúc của Hệ thống thông tin địa lý 8

Hình 1.3 Phương pháp ứng dụng GIS 12

Hình 1.4 Hệ thống viễn thám 13

Hình 1.5 Quá trình thu thập sóng điện từ 13

Hình 1.6 Hình ảnh một số vệ tinh viễn thám 16

Hình 1.7 ảnh gốc và ảnh đã hiện chỉnh 19

Hình 1.8 Cấu trúc của hệ thống viễn thám 22

Hình 1.9 Quỹ đạo và hình dáng vệ tinh NAVSTRAR 23

Hình 1.10 Sơ đồ vị trí các trạm điều khiển mặt đất 23

Hình 1.11 Sơ đồ khối máy thu GPS 25

Hình 1.12 Sơ đồ lấy các hiệu pha 27

Hình 2.1 Các trạm kết nối máy tính tập trung 31

Hình 2.2 Truy cập dữ liệu trong môi trường Chủ/khách 32

Hình 2.3 Truy cập dữ liệu trong môi trường khách chủ 33

Hình 2.4 Quá trình xử lý dữ liệu của mô hình CSDL tệp 34

Hình 2.5 Mô hình cơ sở dữ liệu phân cấp 34

Hình 2.6 Mô hình cơ sở dữ liệu mạng 35

Hình 2.7 Mô hình cơ sở dữ liệu quan hệ 36

Hình 2.8 So sánh mô hình cấu trúc quan hệ và hướng đối tượng 37

Hình 2.9 Mô hình địa lý tổng quát 42

Hình 2.10 Hai gói UML cơ bản 43

Hình 2.11 Mô hình khái niệm không gian hình học 43

Hình 2.12 Mô hình mô tả các gói UML chính của mô hình khái niệm không gian hình học 44

Hình 2.13 Mô hình khái niệm không gian Topo 44

Hình 2.14 Mô hình mô tả các lớp UML chính của mô hình khái niệm không

gian Topo 44

Hình 2.15 Mô hình khái niệm thời gian 45

Hình 2.16 Mô hình mô tả các đối tượng hình học không gian 45

Hình 2.17 Mô hình mô tả các đối tượng Topo thời gian 46

Hình 2.18 Mô hình khái niệm củ mô hình hệ quy chiếu toạ độ 47

Hình 2.19 Phương pháp đánh giá chất lượng dữ liệu địa lý 49

Hình 2.20 Mô hình khái niệm lược đồ trình bày dữ liệu địa lý 49

Hình 3.1 Sơ đồ quy trình công nghệ xây dựng CSDL giao thông 53

Hình 3.2 Quy trình tạo bản đồ từ cơ sở dữ liệu 54

Hình 3.3 Sơ đồ quy trình công nghệ thành lập bình đồ ảnh vệ tinh 56

Hình 3.4 Sơ đồ bố trí điểm khống chế ảnh theo mô hình vật lý 58

Hình 3.5 Sơ đồ quy trình công nghệ cập nhật thông tin từ ảnh vệ tinh 62

Hình 3.6 Minh hoạ nén bình đồ ảnh 64

Hình 3.7 Hình minh hoạ cách tích hợp bình đồ ảnh vào CSDL 64

Hình 4.1 Mô hình mô tả các gói UML chính 77

Hình 4.2 Lược đồ cấu trúc UML của lớp CauGiaoThong 78

Mở ĐầU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay, công nghệ thông tin đã ở một bước phát triển cao, cho phép

số hóa mọi loại dữ liệu thông tin, đồng thời nối kết chúng lại với nhau, trao

đổi và luân chuyển mạnh mẽ Những công cụ và sự kết nối của thời đại kỹ thuật số cho phép chúng ta dễ dàng thu thập, chia sẻ thông tin và hành động trên cơ sở những thông tin này theo một phương thức hoàn toàn mới Sự tương tác với công nghệ truyền thông đa phương tiện (Multimedia) và đặc biệt mạng toàn cầu Internet đã làm cho cuộc sống của chúng ta thay đổi một cách toàn diện Nhiều khái niệm mới đã xuất hiện kéo theo hàng loạt sự thay đổi về các quan niệm, các tập tục, các thói quen truyền thống và thậm chí cả cách nhìn nhận các giá trị

Trong ngành địa hình quân sự, bên cạnh khối lượng đồ sộ tư liệu giao thông được tích lũy qua nhiều năm, được quản lý theo phương thức truyền thống, đã có hàng loạt các sản phẩm mới dạng số chất lượng cao, bước đầu đã

đáp ứng tốt cho công tác huấn luyện và sẵn sàng chiến đấu Các sản phẩm này

là kết quả của việc ứng dụng nhiều công nghệ hiện đại - công nghệ tin học trong những năm gần đây

Để đáp ứng yêu cầu nhiệm vụ quản lý và cấp phát cho toàn quân đòi hỏi CSDL giao thông phải có chủng loại phong phú, khối lượng đồ sộ, mang tính hiện thời cao, dễ dàng khai thác sử dụng và phải đảm bảo an toàn, bảo mật Vì vậy, vấn đề cấp thiết đặt ra là phải tổ chức và xây dựng một hệ thống CSDL giao thông tối ưu nhằm nâng cao hiệu quả công tác quản lý, điều hành sản xuất đáp ứng khả năng tham mưu và bảo đảm tính thời sự trong các hoạt động của lực lượng vũ trang

Xuất phát từ những nhu cầu thực tế trên, luận văn “ứng dụng công

nghệ viễn thám, hệ thông tin địa lý và GPS để xây dựng cơ sở dữ liệu giao thông phục vụ mục đích quân sự” nhằm đưa ra một giải pháp khoa học để

quản trị thống nhất toàn bộ các tư liệu giao thông bằng công nghệ tin học, làm cơ sở phát triển hệ thống thông tin địa lý (GIS) giao thông quân sự theo chuẩn Quốc gia và Quốc tế Nhu cầu nghiên cứu này không nằm ngoài chiến lược phát huy nội lực tiến tới xây dựng nền kinh tế tri thức, phát triển công nghệ phần mềm phục vụ các ngành kinh tế xã hội và quốc phòng an ninh

2 Mục đích nghiên cứu của đề tài

Nghiên cứu, đề xuất phương pháp ứng dụng công nghệ viễn thám, hệ thông tin địa lý và công nghệ GPS để xây dựng CSDL giao thông phục vụ cho quân sự Đồng thời đề xuất giải pháp tối ưu để nâng cao hiệu quả công tác quản lý tư liệu bằng công nghệ tin học;

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu của luận văn bao gồm các vấn đề liên quan đến các

lý thuyết về CSDL, các nguyên lý của Hệ thống thông tin địa lý (GIS), viễn thám và Hệ thống định vị (GPS) Phân tích, đánh giá chất lượng và khai thác dữ liệu; các tiêu chuẩn dữ liệu địa lý; xây dựng mô hình khuôn mẫu để qui nạp dữ liệu giao thông

4 Nội dung nghiên cứu

Luận văn tập trung nghiên cứu khả năng kết hợp tư liệu ảnh viễn thám

và số liệu GPS để xây dựng cơ sở dữ liệu giao thông phục vụ cho quân sự Lựa chọn giải pháp tối ưu cho việc xây dựng CSDL giao thông đó là hệ thống quản

lý dữ liệu trên nền công nghệ ArcGIS

5 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp thống kê: thu thập, tổng hợp và xử lý các thông tin, tư liệu, tài liệu liên quan

Phương pháp phân tích: tổng hợp, xử lý, thiết kế các hệ thống CSDL Phương pháp thực nghiệm: thử nghiệm lấy các số liệu thực tế làm sáng

tỏ cơ sở lý thuyết đưa ra

6 ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu

Nội dung của luận văn được xây dựng trên cơ sở kết hợp sử dụng các loại tư liệu bản đồ địa hình, ảnh viễn thám và số liệu đo GPS để thành lập cơ

sở dữ liệu giao thông phục vụ công tác tham mưu địa hình quân sự trong giai

đoạn hiện nay

Việc khai thác tối đa tư liệu hiện có và xây dựng cơ sở dữ liệu giao thông trên hệ thống mạng LAN tạo ra bước chuyển biến trong cách quản lý, cập nhật tra cứu tư liệu và khai thác thông tin hiệu quả tránh được sự lãng phí, thất thoát dữ liệu, nâng cao được tính bảo mật của dữ liệu

Hệ thống CSDL giao thông cho phép cung cấp thông tin tư liệu nhanh chóng, cho ra những sản phẩm đa dạng, chính xác và làm cơ sở để xây dựng

hệ thống thông tin địa lý GIS

7 Bố cục của đề tài

Ngoài phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo và phụ lục, nội dung chính của đề tài được trình bày trong 4 chương:

Chương 1: - Tổng quan về Hệ thông tin địa lý, viễn thám và Hệ thống

Chương này trình bày khái quát về CSDL, phương pháp xây dựng CSDL

và các quy định về các chuẩn thông tin địa lý quốc gia

Thử nghiệm thành lập 01 mẫu CSDL giao thông phục vụ mục đích quân

sự và hướng dẫn khai thác, sử dụng cụ thể

8 Lời cảm ơn

Luận văn: “ứng dụng công nghệ viễn thám, hệ thông tin địa lý và

GPS để xây dựng cơ sở dữ liệu giao thông phục vụ mục đích quân sự” được

thực hiện tại trường Đại học Mỏ - Địa chất trong khoảng thời gian từ tháng 11 năm 2008 đến tháng 8 năm 2009

Để thực hiện luận văn này ngoài sự nỗ lực của bản thân, tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS Trần Đình Trí, người đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ, đóng góp nhiều ý kiến quý báu trong quá trình chọn và nghiên cứu đề tài này

Tôi cũng xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc tới Ban Chủ nhiệm cùng toàn thể các thầy, cô thuộc khoa Trắc địa, đặc biệt là Bộ môn Đo ảnh và Viễn thám, trường Địa học Mỏ - Địa chất giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành luận văn này

Tôi cũng xin trân trọng cảm ơn sự hướng dẫn và giúp đỡ tận tình của phòng Đại học và sau Đại học, trường đại học Mỏ - Địa chất trong suốt quá trình tôi học tập và hoàn thành luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn lãnh đạo Công ty Trắc địa Bản đồ, Cục Bản

đồ/BTTM, các đồng nghiệp đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiện cho tôi hoàn thành luận văn đúng thời hạn

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình, những người đã luôn bên tôi, động viên, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện để tôi thực hiện luận văn một cách tốt nhất

Do thời gian có hạn cũng như kiến thức khoa học, kiến thức thực tiễn còn nhiều hạn chế nên luận văn trên không thể tránh khỏi những thiếu sót nhất

định Tôi rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy cô giáo và các bạn bè đồng nghiệp để bổ sung, hoàn chỉnh luận văn

Xin trân trọng cảm ơn!

Chương 1 Tổng quan về hệ thông tin địa lý, viễn thám và GPS 1.1 Khái quát Hệ thống thông tin địa lý (GIS)

Hệ thông tin địa lý - tên tiếng anh là Geographical Information System viết tắt: GIS là một hệ thống kết hợp giữa con người và hệ thống máy tính cùng các thiết bị ngoại vi để lưu trữ, xử lý, phân tích, hiển thị các thông tin địa

lý để phục vụ một mục đích nghiên cứu, quản lý nhất định

Trong thời gian gần đây GIS đã phát triển rất mạnh mẽ trên mọi mặt cả

về cơ sở lý luận, công nghệ và tổ chức GIS đã được ứng dụng rộng rãi trên nhiều lĩnh vực như địa lý, đo vẽ bản đồ, môi trường, nông lâm nghiệp…ứng dụng GIS cho phép nghiên cứu bất kỳ thực thể không gian nào trên trái đất dưới các dạng cơ bản như điểm, đường hoặc vùng

Đặc điểm chung của GIS là khi nghiên cứu bất kỳ đối tượng không gian nào việc đầu tiên là định vị chúng trong hệ toạ độ trái đất nhất định Một thông tin có toạ độ về một thực thể không gian gọi là thông tin địa lý Các thực thể không gian trong khái niệm GIS còn được gọi là các đối tượng không gian Các đối tựợng không gian này được định vị bởi toạ độ nhất định và còn

có các thuộc tính về hình dạng, kích thước và các đặc tính khác nhau Bên cạnh đó còn có các quá trình hoạt động khác nhau do tự nhiên hoặc phi tự nhiên diễn ra trên thực thể không gian đó Theo thời gian các thực thể không gian luôn chuyển hoá và biến đổi liên tục từ thực thể không gian này sang thực thể không gian khác

Trên thực tế thông tin về một hiện tượng tự nhiên hoặc về mọi thực thể không gian đã được định vị rất đa dạng Với một thực thể không gian nhất

định mỗi nhà nghiên cứu lại cho ra một dạng thông tin khác nhau để phục vụ cho lĩnh vực nghiên cứu của mình

Trong lĩnh vực trắc địa bản đồ, công nghệ GIS đã được ứng dụng rất hiệu quả và đã đem lại những thành tựu rất lớn, đặc biệt là nhu cầu kết hợp

giữa viễn thám với việc thành lập bản đồ số ngày càng tăng lên và sự kết hợp này chỉ có thể thực hiện một cách hiệu quả dựa trên nền công nghệ GIS

Hình 1.1 GIS, GPS và viễn thám với công nghệ thành lập bản đồ số

1.1.1 Định nghĩa

GIS đ−ợc nghiên cứu trên rất nhiều lĩnh vực ứng dụng và nhiều quốc gia trên thế giới vì vậy cũng có rất nhiều định nghĩa của các nhà khoa học khác nhau, có thể kể đến nh− sau:

Clarke (1990):

“GIS là một hệ thống được tự động hoá để thu thập, lưu trữ, chỉnh sửa, hiển thị, phân tích dữ liệu về không gian”

Viện nghiên cứu môi trường Mỹ (ERSI):

“ Hệ thông tin địa lý là tổ hợp của 4 hợp phần có quan hệ thống nhất liên quan chặt chẽ với nhau là phần cứng gồm máy vi tính và thiết bị liên quan, phần mềm và tổ chức con người được hoạt động đồng bộ nhằm thu thập, lưu trữ, quản lý, thao tác phân tích, và mô hình hoá, hiển thị các dữ liệu không gian có định vị theo toạ độ dùng cho trái đất và có đầy đủ dữ liệu thuộc tính nhằm đáp ứng các nhu cầu thực tế”

Tóm lại, dù định nghĩa theo quan điểm nào thì GIS đều có điểm chung

là liên quan đến một hệ thông tin các dữ liệu địa lý có sự tham gia của máy tính Yếu tố địa lý được sử dụng trong tham chiếu vị trí cho dữ liệu không gian qua dữ liệu phi không gian Điểm khác biệt cơ bản giữa GIS và các hệ thông tin khác là các dữ liệu thông tin được định vị trong một hệ toạ độ nhất định (xác định vị trí địa lý)

Tuy nhiên, định nghĩa của Viện ngiên cứu môi trường Mỹ (ERSI) là hoàn chỉnh nhất, với 4 hợp phần trên có mối quan hệ chặt chẽ và ảnh hưởng lẫn nhau Phần cứng là các máy tính có tốc độ xử lý khác nhau ảnh hưởng trực tiếp đến phần mềm cài đặt trên nó và người sử dụng Bên cạnh đó phần mềm luôn luôn thay đổi phù hợp với từng cấu hình máy tính Cơ cấu tổ chức sẽ quyết định sự phát triển của GIS Sự hiểu biết về GIS của một tổ chức một cơ quan, một cá nhân sẽ định hướng cho việc nghiên cứu ứng dụng GIS theo yêu cầu đặt ra Thiếu một trong bốn hợp phần trên thì một hệ GIS sẽ ngừng hoạt

động (theo ERSI - Viện nghiên cứu môi trường Mỹ)

Vậy có thể hiểu một cách ngắn gọn hơn GIS có các hợp phần cơ bản đó

là kỹ nghệ (phần cứng và phần mềm), cơ sở dữ liệu (dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc tính), cơ sở hạ tầng (con người và các tổ chức…)

Hình 1.2 Cấu trúc của Hệ thống thông tin địa lý

độ khác nhau

Thành phần phi không gian là thành phần chứa số liệu về thuộc tính của thực thể, các thuộc tính này có thể là định l−ợng hoặc định tính, có các kiểu dữ liệu là ghi danh, chỉ số, khoảng, tỉ lệ

Dữ liệu không gian được xây dựng trên cơ sở toán học của bản đồ và các lớp thông tin địa kỹ thuật, gồm các loại đối tượng khác nhau của các nhóm thông tin Các lớp thông tin được gắn chỉ số ID cùng tên và hệ thống mã khoá chính, phụ và phương thức truy nhập thông tin, phương thức thiết lập các trường, các minh hoạ và dẫn giải cho từng loại thông tin phục vụ cho người sử dụng

b Cấu trúc hệ thống dữ liệu

Bao gồm Hồ sơ dữ liệu và Cơ sở dữ liệu

Hồ sơ dữ liệu (Metadata ) được xem là “ Dữ liệu về dữ liệu” nhằm lưu giữ những thông tin về bản thân dữ liệu Hồ sơ dữ liệu là một trong những thông tin quan trọng trong ứng dụng GIS Việc chuyển giao CSDL GIS sẽ

được thực hiện dễ dàng trên cơ sở dữ liệu được gắn liền với hồ sơ dữ liệu Hiện nay, với sự phát triển mạnh của khoa học kỹ thuật thì việc ứng dụng GIS trong ngành mình là rất cần thiết, nhu cầu trao đổi dữ liệu giữa các ngành với nhau

và trong nội bộ từng ngành là rất lớn, do đó việc xây dựng hồ sơ dữ liệu đã

được đặt ra là nhu cầu thiết yếu Việc xây dựng hồ sơ dữ liệu cần được tiến hành theo tiêu chuẩn nhất định, trong đó lưu ý quy định rõ các thông tin cần thể hiện và các cách thể hiện các thông tin đó

Cơ sở dữ liệu không gian và cơ sở dữ liệu thuộc tính là cốt lõi của một GIS Để cho dữ liệu GIS được ứng dụng hiệu quả cần phải được tổ chức tốt và

có chất lượng tốt Việc đánh giá chất lượng của dữ liệu GIS được đánh giá trên cơ sở các chuẩn dữ liệu Việc tuân thủ các chuẩn dữ liệu của một CSDL GIS là nhằm để đồng bộ các dữ liệu không gian được sử dụng trong các ứng dụng

Cơ sở dữ liệu có cấu trúc rất phức tạp, gồm cả các thông tin về vị trí, khả năng liên kết địa hình và thuộc tính các đối tượng Để thuận tiện trong quá trình truy nhập dữ liệu thì dữ liệu phải được tổ chức theo một dạng cấu trúc nào đó (Dạng cấu trúc phân cấp, cấu trúc mảng, cấu trúc quan hệ) Cho dù dữ liệu được tổ chức theo dạng cấu trúc nào thì khuôn dạng các dữ liệu đều ở

dạng vector hay raster và phải tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn dữ liệu ngay từ khâu đầu khi làm dữ liệu là khâu thiết kế và nhập dữ liệu Việc tuân thủ tốt các tiêu chuẩn dữ liệu có ý nghĩa rất quan trọng, bảo đảm độ chính xác dữ liệu số và tạo sự thống nhất của dữ liệu, cho phép giải quyết các bài toán không gian (chồng xếp, phân tích, lựa chọn, đưa ra quyết định…)

1.1.3 Các chức năng chính

Thông thường, GIS có các chức năng cơ bản sau đó là thu thập dữ liệu; tổng hợp và lưu trữ dữ liệu; phân tích và xử lý dữ liệu; hiển thị dữ liệu; ứng dụng

a Thu thập, cập nhật dữ liệu

Một trong những chức năng quan trọng của GIS là thu thập, nhập và bổ sung dữ liệu, các quá trình này được tiến hành song song, đồng thời bởi thế giới thực luôn luôn vận động, thay đổi và phát triển

Việc cập nhật dữ liệu có thể sử dụng nguồn tư liệu dưới dạng số hoặc dạng giấy Dạng tư liệu như bản đồ giấy hoặc ảnh vệ tinh, ảnh máy bay và các nguồn tư liệu số khác phải được chuyển đổi về khuôn dạng chuẩn trong hệ thống đang sử dụng

b Tổng hợp và lưu trữ dữ liệu

Chuyển đổi dữ liệu là một chức năng rất gần với việc nhập và bổ sung dữ liệu Nhiều phần mềm thương mại cố gắng giữ độc quyền bằng cách hạn chế đưa ra các khuôn dạng dữ liệu thông dụng Tuy nhiên người sử dụng phải lựa chọn để hạn chế việc phải chuẩn hóa những tài liệu hiện đang có ở dạng

số Trong thực tế, cùng một tư liệu nhưng có thể tồn tại ở nhiều khuôn dạng khác nhau Vì vậy, đối với dữ liệu GIS quốc gia, không thể chỉ lưu giữ ở một dạng thuộc tính riêng biệt mà cần thiết phải lưu giữ ở nhiều khuôn dạng có tích chất phổ biến để sử dụng được trong nhiều ứng dụng khác nhau

Một chức năng quan trọng của GIS là lưu trữ và tổ chức cơ sở dữ liệu:

đa dạng về thuộc tính, về khuôn dạng, về đơn vị đo, về tỷ lệ bản đồ

Hai yêu cầu cơ bản trong việc lưu trữ dữ liệu là phải tổ chức nguồn dữ liệu sao cho đảm bảo độ chính xác và không mất thông tin, thứ hai là các tài liệu cho cùng một khu vực song các dữ liệu lại khác nhau về tỷ lệ, về đơn vị

đo thì phải được định vị chính xác và chuyển đổi một cách hệ thống để có thể xử lý hiệu quả

c Phân tích và xử lý dữ liệu

Hiện nay, GIS đang là công cụ hỗ trợ quyết định rất có hiệu quả cho các mục tiêu phát triển kinh tế, bảo vệ môi trường Do vậy, cũng có rất nhiều ban ngành xây dựng GIS cho riêng mình Chính vì điều đó mà mỗi một GIS được xây dựng theo những tiêu chí và mục đích khác nhau Cơ sở dữ liệu của GIS

do vậy cũng đa dạng và phong phú cả về hình thức lẫn chất lượng và độ chính xác Quá trình xây dựng GIS, đòi hỏi tư liệu không gian phải được lựa chọn với một chỉ tiêu nhất định và được phân loại theo một phương thức riêng, tổng hợp thành những đặc điểm khác biệt của hệ thống, do đó GIS phải đảm nhiệm

được chức năng điều khiển thông tin không gian

Các thuộc tính khác nhau có thể được tổng hợp, nắm bắt một cách riêng biệt và những sự khác biệt có thể được xác định, được tính toán và được can thiệp, biến đổi và đề xuất hướng ứng dụng mới

d Trình bày và hiển thị

Dữ liệu xử lý cần được hiển thị dưới các khuôn dạng như: mô hình, chữ

và số, dạng bảng biểu hoặc dạng bản đồ chuyên đề Các tính toán và kết quả phân tích được lưu trữ ở dạng chữ và số để dễ dàng in ra hoặc trao đổi giữa các phần mềm khác nhau Các dữ liệu thuộc tính có thể được lưu ở dạng bảng biểu hoặc các dạng cố định khác Bản đồ được thiết kế để hiển thị trên màn hình hoặc lưu dưới dạng điểm để in Như vậy, hiển thị và in ra là những chức năng rất cần thiết của một GIS

e ứng dụng chuyên ngành

Bằng các phương pháp tích hợp thông tin trong GIS: Phép đại số bản đồ, mô hình hoá, nội suy chúng ta hoàn toàn có thể kết xuất ra những thông tin hoàn toàn mới từ các lớp thông tin của CSDL, nhằm giải quyết các bài toán chuyên ngành khác nhau

GIS được sử dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực như quản lý ruộng đất,

điều tra và khai thác tài nguyên thiên nhiên, khảo sát và xây dựng các công trình giao thông, cơ sở hạ tầng, quân sự

Định nghĩa sau đây có thể coi là tiêu biểu:

“Viễn thám là khoa học và công nghệ mà theo đó các đặc tính đối tượng quan tâm được nhận diện, đo đạc, phân tích các tính chất mà không có

sự tiếp xúc trực tiếp với đối tượng”

1.2.2 Hệ thống viễn thám

Có thể hình dung hệ thống viễn thám một cách đơn giản theo hình 1.4 Bức xạ mặt trời một phần bị khuếch tán trong khí quyển; khi xuống đến mặt

đất, một phần bị hấp thụ, một phần truyền qua, một phần phản xạ Bộ cảm trên

vệ tinh thu những sóng phản xạ này - sóng điện từ mang thông tin Tín hiệu thu được từ vệ tinh truyền xuống trạm thu trên mặt đất Sau khi được xử lý bằng công nghệ xử lý ảnh số hay giải đoán bằng mắt thường, những thông tin này sẽ chuyển đến cho người dùng

Hình 1.4 Hệ thống viễn thám Hình minh họa dưới đây sẽ cho thấy rõ hơn quá trình thu nhận sóng

điện từ mang thông tin của viễn thám quang học (với bộ cảm thụ động) và viễn thám radar (với bộ cảm chủ động)

Hình 1.5 Quá trình thu thập sóng điện từ

Trên vệ tinh LANDSAT bộ cảm có ý nghĩa quan trọng nhất và đ−ợc sử dụng nhiều nhất là TM Các thông số chính của bộ cảm TM nh− sau:

Bảng 1.1 Các thông số kỹ thuật của bộ cảm TM của LANDSAT

Hiện nay có hai vệ tinh đang hoạt động là 5 và

LANDSAT-7 Quỹ đạo của các vệ tinh này đ−ợc đặc tr−ng bởi các thông số chính sau:

+ Độ cao bay 705 km, gốc nghiêng phẳng quỹ đạo 980

+ Quỹ đạo đồng hồ mặt trời và bán lặp lại Thời điểm bay qua xích đạo 9h30’ sáng

+ Chu kỳ lặp lại 17 ngày và bề rộng tuyến chụp 185 km

b Vệ tinh SPOT

SPOT là chương trình viễn thám do các nước Pháp, Thuỵ Điển, Bỉ hợp tác Bao gồm các vệ tínhau: SPOT-1 (1986); SPOT-2 (1990); SPOT-3 (1993); SPOT-4 (1998) và SPOT-5 (2002) Trên mỗi vệ tinh SPOT được trang bị một

hệ thống tạo ảnh nhìn thấy có độ phân giải cao HRV (High Resolution Visble)

SPOT có quỹ đạo tròn cận cực đồng bộ mặt trời

+ Độ cao bay chụp la 830 km, gốc nghiêng của mặt phẳng quỹ đạo là 98,70

+ Thời điểm bay qua xích đạo là 10h30’ sáng

+ Chu kỳ lặp lại một điểm nào đó trên mặt đất là 26 ngày trong chế độ quan sát bình thường

Bảng 1.2 Các thông số chính của bộ cảm HRV của SPOT-5

Kênh phổ Bước sóng Phổ điện từ Độ phân giải

Kênh 1 0,50-0,59 àm Xanh lá cây (Green) 10 m

Kênh 2 0,61-0,68 àm Đỏ (Red) 10 m

Kênh 3 0,79-0,89 àm Hồng ngoại phản xạ 10 m

Toàn sắc 0,49-0,69 àm Toàn sắc (trắng đen) 5 m

Vệ tinh ở thế hệ sau được cải tiến nâng cao về tính năng cung cấp ảnh

có chất lượng ngày càng cao Đặc biệt với SPOT-5 với độ phân giải không gian cao mở ra khả năng cho người sử dụng nhận biết tốt nhất các đối tượng như: đường, các toà nhà , phân tích sản lượng, vụ mùa Hiện nay hầu hết các nước phát triển và đang phát triển trên thế giới đều sử dụng nguồn tư liệu

ảnh vệ tinh chính là thành lập và theo dõi biến động đất đai

c Vệ tinh ENVISAT

Vệ tinh ENVISAT do hãng hàng không vũ trụ châu âu thiết kế và chế tạo tiếp theo những vệ tinh ERS-1 và ERS-2 Vệ tinh được phong lên thành công ngày 01/03/2002 Các thông số quy đạo:

+ Độ cao 800 km

+ Quỹ đạo đồng bộ mặt trời

+ Bay một vòng quanh trái đất hết 100 phút

+ Chu kỳ lặp lại 30 ngày

Hình 1.6 Hình ảnh một số vệ tinh viễn thám

1.2.4 Tư liệu viễn thám

a ảnh tương tự

Được chụp trên bề mặt của lớp cảm quang halogen bạc, ảnh tương tự

được thu chụp thông qua bộ cảm tương tự dùng phim ảnh có độ phân giải không gian cao, độ phân giải phổ kém, chịu ảnh hưởng lớn của độ cong bề mặt trái đất do đó sai số méo hình lớn ảnh máy bay là ảnh tương tự có diện tích chụp nhỏ Tuy nhiên hiện nay với bước đội phá trong trắc địa ảnh, máy chụp ảnh kỹ thuật số hàng không đã ra đời chụp được những tấm ảnh số hàng không chất lượng cao

b ảnh số

ảnh số là dạng ảnh không lưu trên giấy và trên phim Nó được chia

thành nhiều phần tử nhỏ thường được gọi là pixel Mỗi pixel tương ứng với một đơn vịu không gian Quá trình chia mỗi ảnh tương tự thành các pixel được gọi là chia mẫu (Sampling) và quá trình chia độ xám liên tục thành một số

nguyên hữu hạn gọi là lượng tử hoá Các pixel thường có hình dạng vuông Mỗi pixel được xác định bằng toạ độ hàng và cột Hệ toạ độ ảnh thường có

điểm 0 ở góc trên bên trái và tăng dần từ trái sang phải đối với chỉ số cột và từ trên xuống dưới đối với chỉ số hàng Trong trường hợp chia mẫu một ảnh tương tư thành một ảnh số thì độ lớn của pixel hay tần số chia mẫu phải được chọn tối ưu Độ lớn của pixel quá lớn thì chất lượng ảnh sẽ kém, trường hợp ngược lại thì lượng thông tin lại quá lớn

ảnh số được đặc trưng bởi một số thông số cơ bản về hình học bức xạ

bao gồm:

+ Trường nhìn không đổi: là góc không gian tương ứng với mỗi đơn vị chia mẫu trên mặt đất Lượng thông tin ghi được trong trường nhìn không đổi tương ứng với giá trị pixel

+ Trường nhìn: góc nhìn tối đa mà bộ cảm có thể thu được sóng điện từ Khỏng không gian thu được trên mặt đất do trường nhìn tạo nên chính là bề rộng tuyến bay

+ Vùng bé nhất trên mặt đất mà bộ cảm nhận được gọi là độ phân giải mặt đất Đôi khi hình chiếu của pixel lên mặt đất được gọi là độ phân giải bởi vì ảnh số được ghi lại theo những dải phổ khác nhau nên người ta gọi là tư liệu

đa phổ

Năng lượng sóng điện từ sau khi tới bộ dò được chuyển thành tín hiệu

điện và khi lượng tử hoá xong được gọi là ảnh số Trong toàn bộ dải sóng tương tự thu được chỉ có phần biến đổi tuyến tính được lượng tử hoá Hai phần biên của tín hiệu không được xét đến vì chúng chứa nhiều nhiễu và không giữ

được quan hệ tuyến tính giữa thông tin và tín hiệu Xác định ngưỡng nhiễu là việc hết sức quan trọng Chất lượng của tư liệu được đánh giá qua tỷ số tín hiệu/nhiễu

Thông tin được ghi theo đơn vị bit Trong xử lý số, đơn vị xử lý thường

là byte Do vậy, đối với tư liệu có bit nhỏ hoặc bằng 8 thì được lưu lại ở dạng

1 byte (1 byte =8 bit) và tư liệu số có số bit lớn hơn 8 được lưu ơ dạng 2 byte hay trong 1 từ Trong 1 byte có thể lưu được 256 cấp độ xám còn trong 1 từ có thể lưu được 65536 cấp độ xám

Ngoài ra các thông tin ảnh trong mỗi lần lưu trữ người ta phải lưu thêm nhiều thông tin bổ trợ khác như: số hiệu của ảnh ; ngày, tháng, năm ; các chỉ tiêu chất lượng

1.2.5 Phương pháp xử lý tư liệu

a Vấn đề chung trong xử lý ảnh viễn thám

Các tư liệu viễn thám chủ yếu ở dạng số do đó vấn đề xử lý số trong viễn thám có ý nghĩa hết sức quan trọng trong viễn thám hiện nay Các bước cơ bản trong xử lý ảnh được tóm tắt như sau :

Sau khi hoàn thành các khâu xử lý cần xuất kết quả, kết quả được xuất

có thể là dưới dạng phim ảnh tương tự hay dạng số hoặc các loại bản đồ đường nét

Quá trình xử lý ảnh viễn thám bao gồm các nội dung công việc chính như sau :

• Tăng cường chất lượng ảnh : Bao gồm những công việc chính đó là nâng cao độ tương phản, nâng cao cấu trúc ảnh, mã hoá mẫu

• Nắn chỉnh hình học là quá trình chuyển đổi ảnh thô thành ảnh có kích thước phù hợp cho ứng dụng của bản đồ

• Phân loại đa phổ thuộc một nhóm đối tượng nào đó có tính chất tương

đối đồng nhất nhằm phân biệt các nhóm đó với nhau trong khuôn khổ ảnh cho

trước

b Xử lý ảnh vệ tinh

* Nắn chỉnh hình học: Bản chất của nắn chỉnh hình học ảnh số là xây dựng cho được mối tương quan giữa hệ toạ độ ảnh với hệ toạ độ quy chiếu chuẩn Hệ toạ độ quy chiếu chuẩn có thể là hệ toạ độ mặt đất hay hệ toạ độ

ảnh khác, chuyển tấm ảnh thô thành ảnh với kích thước phù hợp cho ứng dụng bản đồ

Quá trình nắn chỉnh hình học ảnh số được tiến hành theo hai bước:

● Thứ nhất : Tính chuyển toạ độ các pixel

● Thứ hai : Lấy mẫu lại giá trị độ xám các pixel

Hình 1.7 ảnh gốc và ảnh đã hiện chỉnh

* Hiệu chỉnh phổ :

● Tăng cường độ tương phản:

Trên ảnh gốc độ tương phản của các yếu tố rất kém bởi vì giá trị độ xám

của các pixel thường chỉ tập trung trong một khoảng hẹp nào đó Tăng cường

độ tương phản thực chất là giàn đều giá trị độ xám của các pixel trên toàn bộ

thang độ xám (trong khoảng từ 0 - 255 bậc trở lên ), nhờ đó sự thay đổi độ

xám giữa các đối tượng khác nhau sẽ dễ phân biệt hơn Một số phương pháp

tăng cường độ tương phản thường áp dụng như biến đổi theo histogram hay sử

dụng các hàm phi tuyến

● Sử dụng các phin lọc:

Phin lọc là một cửa sổ hình vuông có kích thước nhất định ( 3ì3,5ì5,

7ì7 ) được dùng trong xử lý ảnh số, trên mỗi ô cửa sổ đuợc thiết kế trước một

giá trị nhất định, khi lọc ảnh cửa sổ phin lọc trượt trên ảnh và giá trị độ xám

các pixel được tính lại dựa vào giá trị đặt trong cửa sổ lọc Người ta thường sử

dụng một số loại phin lọc như trung vị, lọc theo giá trị trung bình…các lọc

phin lọc này có tác dụng giảm nhiễu Một số loại phin lọc làm nổi bật các

đường nét và sự khác nhau giữa các đối tượng trên ảnh như sobel, laplace

1.3 Khái quát về GPS

1.3.1 Lịch sử ra đời của hệ thống GPS

Từ lâu người ta đã biết rằng muốn xác định vị trí trên mặt đất phải dựa

vào những vật thể cố định Tuy nhiên mọi vật đều vận động không ngừng Cố

định chỉ là trạng thái tương đối với mỗi địa điểm và thời điểm Cùng với sự

phát triển của thiên văn học người ta lập được lịch sao, tính được vị trí của

từng ngôi sao ở mỗi thời điểm Các vì sao trở thành vật thể cố định tương đối

với mỗi vị trí mặt đất tại mỗi thời điểm Từ điểm cần xác định người ta đo góc

hướng đến một số sao để định vị Đó là nguyên lý cơ bản của phương pháp

định vị thiên văn phát triển từ thế kỷ 18 Tiếp đấy việc dùng tín hiệu radio để

định hướng, nâng cao độ chính xác và tính tiện nghi, đã tạo ra bước ngoặt lớn

trong kỹ thuật định vị

Tháng 10 năm 1957 vệ tinh nhân tạo đầu tiên của thế giới được nước

Nga phóng lên quỹ đạo Sử dụng vệ tinh nhân tạo bay quanh trái đất, thường

xuyên phát tín hiệu định vị về mặt đất, thay thế các vì sao, đã tạo ra sự chuyển

biến có tính cách mạng trong kỹ thuật định vị Tháng 12 năm 1958 hệ thống dẫn đường bằng vệ tinh Transit ra đời, gồm 8 vệ tinh chuyển động theo quỹ

đạo hình cực cách mặt đất 1000 km Cho đến năm 1964, hệ thống này chỉ

được dùng vào mục đích quân sự rồi từ năm 1967 đến những năm 80 vào mục

đích trắc địa Tuy nhiên hệ này chưa đáp ứng được yêu cầu dẫn đường hiện

đại Với số ít vệ tinh ở quỹ đạo tương đối thấp, việc thu và xử lý tín hiệu kém chính xác và cần nhiều thời gian, trong khi mức phát triển nhanh như vũ bão của thế giới hiện đại, yêu cầu định vị cần được thực hiện nhanh chóng chính xác hơn, ở mọi nơi mọi lúc, trong bất kỳ điều kiện thời tiết nào Tốc độ máy bay càng cao thì vị trí máy bay trên không càng cần xác định nhanh chóng và chính xác

Chương trình thiết lập một hệ thống định vị hiện đại vì vậy được Bộ Quốc phòng Mỹ giao cho Không lực và Hải quân Hoa kỳ nghiên cứu trong hai năm từ 1967 đến 1969 Hệ thống này phải khắc phục được những nhược điểm của hệ Transit, cụ thể là phải gồm nhiều vệ tinh hơn, hoạt động trên quỹ đạo cao hơn, tín hiệu phát ra phải được thu và xử lý nhanh chóng chính xác hơn

Được vậy yêu cầu định vị sẽ được thực hiện nhanh chóng và chính xác bất kỳ lúc nào tại bất kỳ nơi nào trên mặt đất Chương trình thử nghiệm được phê chuẩn năm 1973 Sáu vệ tinh NAVSTAR (NAVigation Satellite for Timing And Ranging) đầu tiên đã được sản xuất và phóng lên quỹ đạo từ Kansas để phục vụ chương trình thử nghiệm Kết quả thử nghiệm tốt đẹp đã khiến chính phủ Mỹ yên tâm đầu tư 12 tỷ đô la để xây dựng thành công hệ thống định vị toàn cầu hiện đại này năm 1986

Đến nay qua nhiều năm khai thác trên toàn thế giới, hệ thống định vị NAVSTAR đã trở nên quen thuộc với tên gọi hệ thống GPS và thực sự được khẳng định về độ chính xác và tiện nghi sử dụng GPS được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như giao thông vận tải, khảo sát môi trường và tài nguyên thiên nhiên, trắc địa bản đồ, quốc phòng và an ninh, đã tạo ra nhiều chuyển biến to lớn về công nghệ và kỹ thuật Kỹ thuật định vị GPS đã và sẽ càng được sử dụng như một công cụ không thể thiếu được trong nhiều ngành kinh tế kỹ thuật rồi lan toả sang nhiều hoạt động giao lưu quốc tế về chính trị, văn hoá, xã hội

1.3.2 Hệ thống GPS

Theo sự phân bố không gian người ta chia hệ thống GPS thành 3 phần gọi là đoạn (Segment) bao gồm: Đoạn không gian (Space Segment), Đoạn

điều khiển (Control Segment) và Đoạn sử dụng (User Segment)

Hình 1.8 Cấu trúc của hệ thống viễn thám

1 3.2.1 Đoạn không gian

Đoạn không gian gồm 24 vệ tinh, trong đó có 3 vệ tinh dự trữ, quay trên

6 mặt phẳng quỹ đạo cách đều nhau và có góc nghiêng 550 so với mặt phẳng xích đạo của trái đất Quỹ đạo của các vệ tinh hầu như tròn, vệ tinh bay ở độ cao xấp xỉ 20.000 km so với mặt đất

Chu kỳ quay của vệ tinh là 718 phút và do vậy vệ tinh sẽ bay qua đúng

điểm cho trước trên mặt đất mỗi ngày một lần Mỗi vệ tinh có trọng lượng

1830 kg khi phóng và 930 kg khi bay trên quỹ đạo Các máy móc thiết bị trên

vệ tinh hoạt động nhờ năng lượng do các tấm pin mặt trời với sải cánh dài 580

cm cung cấp Tuổi thọ của vệ tinh theo thiết kế là 7,5 năm

Hình 1.9 Quỹ đạo và hình dáng vệ tinh NAVSTRAR

1.3.2.2 Đoạn điều khiển

Đoạn này gồm 4 trạm quan sát trên mặt đất trong đó có một trạm điều khiển trung tâm đặt tại Colorado Springs và 4 trạm theo dõi đặt tại Hawai (Thái Bình Dương), Ascension Island (Đại Tây Dương), Diego Garcia (ấn Độ Dương) và Kwajalein (Tây Thái Bình Dương) Các trạm này tạo thành một vành đai bao quanh Trái đất

Hình 1.10 Sơ đồ vị trí các trạm điều khiển mặt đất

Nhiệm vụ của đoạn điều khiển là điều khiển toàn bộ hoạt động và chức năng của các vệ tinh trên cơ sở theo dõi chuyển động quỹ đạo của vệ tinh cũng như hoạt động của đồng hồ trên đó Tất cả các trạm đều có máy thu GPS, và chúng tiến hành đo khoảng cách và sự thay đổi khoảng cách tới tất cả các vệ tinh có thể quan sát được, đồng thời đo các số liệu khí tượng Tất cả các số liệu đo nhận được ở mỗi trạm đều được truyền về trạm trung tâm

Trạm trung tâm xử lý các số liệu được truyền từ các trạm theo dõi về cùng với các số liệu đo của chính nó Kết quả xử lý cho ra các Ephemerit chính xác hoá của vệ tinh và số hiệu chỉnh cho các đồng hồ trên vệ tinh Từ trạm trung tâm các số liệu này được truyền trở lại cho các trạm theo dõi để từ

đó truyền tiếp lên cho các vệ tinh cùng các lệnh điều khiển khác Như vậy là các thông tin đạo hàng và thông tin thời gian trên vệ tinh được thường xuyên chính xác hoá và chúng sẽ được cung cấp cho người sử dụng thông qua các sóng tải L1 và L2 Việc chính xác hoá thông tin như thế được tiến hành 3 lần trong một ngày Cần nói thêm là các thông tin cung cấp đại trà cho khách hàng chỉ đảm bảo độ chính xác đến cỡ 5 mét, chưa kể đến chúng còn bị cố ý làm nhiễu đi bởi chế độ SA (Selective Availability) để hạn chế độ chính xác này ở mức 50 - 100 mét Từ ngày 20/5/2000 Mỹ đã bỏ chế độ nhiễu SA

1.3.2.3 Đoạn sử dụng

Đoạn sử dụng bao gồm tất cả máy móc, thiết bị thu nhận thông tin từ vệ tinh để khai thác sử dụng cho các mục đích và yêu cầu khác nhau của khách hàng kể cả trên trời, trên biển và trên đất liền Đó có thể là một máy thu riêng biệt hoạt động độc lập (trường hợp định vị tuyệt đối) hay một nhóm gồm từ hai máy thu trở lên hoạt động đồng thời theo một lịch trình thời gian nhất định (trường hợp định vị tương đối) hoặc hoạt động theo chế độ một máy thu đóng vai trò máy chủ phát tín hiệu vô tuyến hiệu chỉnh cho các máy thu khác (trường hợp định vị vi phân) Đó là cả một hệ thống dịch vụ đạo hàng GPS đa năng trên phạm vi toàn cầu hoặc ở từng khu vực đang được thiết lập ở một số nước phát triển

Máy thu GPS là phần cứng quan trọng trong đoạn sử dụng Cấu hình của một máy thu thông thường có thể mô tả theo sơ đồ khối (Hình 1.5) bao gồm các khối sau:

- ăng ten với bộ tiền khuếch đại để phóng to cường độ tín hiệu thu được

từ vệ tinh

- Bộ xử lý tín hiệu có chức năng giải mã tín hiệu vệ tinh, đo pha sóng tải, thu nhận giao động nội bộ do bộ giao động của máy thu phát ra để dóng hàng với tín hiệu thu được tính thời gian chuyền tín hiệu từ vệ tinh đến máy thu

- Bộ giao động sản xuất các sóng tín hiệu tương tự như các sóng tín hiệu

do vệ tinh chuyền đến, mục đích để dóng hàng với tín hiệu này tính ra thời gian truyền tín hiệu

- Bộ vi xử lý để tính cạnh thô từ vệ tinh đến ăng ten máy thu theo mã, tính toạ độ tức thời của tâm ăng ten máy thu, tính các loại số cải chính ban

đầu và các thông số dẫn đường

- Bộ lưu trữ số liệu

ăng ten

thiếu bộ cấp điện

Bộ tiền khuếch đại Xử lý tín hiệu Bộ vi xử lý

Bộ giao động Bộ lưu số liệu

Hình 1.11 Sơ đồ khối máy thu GPS Nhờ tiến bộ khoa học và kỹ thuật trong lĩnh vực điện tử, viễn thông và

kỹ thuật thông tin tín hiệu số, các máy thu GPS ngày một hoàn hảo Trên thế giới đã có nhiều hãng chế tạo máy thu GPS như hãng Trimble Navigation, Ashtech (Mỹ), MiniMax (CHLB Đức), Leica (Thụy Sĩ), Sokkia (Nhật Bản), Sercel (Pháp).v.v

Cùng với máy thu, người ta sản xuất các phần mềm phục vụ xử lý thông tin như Trimvec, Trimnet plus, GPSurvey, Geomatic, Các phần mềm ngày càng hoàn thiện và nâng cao hiệu quả cũng như độ chính xác

1.3.3 Một số phương pháp định vị GPS

Trong kỹ thuật GPS có nhiều phương pháp định vị khác nhau có thể đáp ứng yêu cầu đa dạng của người sử dụng Đồng thời cũng có thể có nhiều cách phân loại các phương pháp định vị

1.3.3.1 Định vị tuyệt đối

Định vị tuyệt đối thực chất là định vị theo điểm, sử dụng một máy thu,

đặt tại điểm cần xác định, thu và xử lý dữ kiện Kết quả định vị là toạ độ và cao độ ellipsoid của điểm đặt máy theo hệ WGS84 Định vị tuyệt đối lại được chia thành: định vị tuyệt đối tức thời và định vị tuyệt đối chính xác

Định vị tuyệt đối tức thời sử dụng trị đo là mã, do đó độ chính xác không cao chủ yếu dùng cho mục đích dẫn đường thông thường

Phương pháp định vị tuyệt đối chính xác có thể dùng để lập lưới khống chế trắc địa quốc gia hoặc đo cự ly chính xác xuyên lục địa Nếu phương pháp

định vị tương đối, có thể xử lý hiệu trị đo đồng thời giữa nhiều điểm đặt máy

để hạn chế sai số quỹ đạo của vệ tinh, sai số đồng hồ vệ tinh và độ trễ chuyền sóng qua tầng điện ly và tầng đối lưu thì phép định vị tuyệt đối (định vị điểm) không làm được điều đó, nhất là khi sử dụng máy thu GPS một tần Thực tế chứng tỏ rằng trong trường hợp này sai số định vị có thể đến +10 mét, mặc dầu cạnh từ ăng ten máy thu đến các vệ tinh đã được xác định bằng pha sóng tải Bởi vậy muốn đạt độ chính xác centimet trong định vị tuyệt đối, phải có biện pháp hữu hiệu khắc phục ảnh hưởng sai số toạ độ quỹ đạo vệ tinh, sai số

đồng hồ vệ tinh và độ trễ chuyền sóng qua tầng điện ly Độ trễ chuyền sóng qua tầng điện ly có thể hạn chế tối đa bằng cách sử dụng máy thu hai tần còn việc nghiên cứu xác định và cung cấp số cải chính toạ độ quỹ đạo và đồng hồ

vệ tinh đang được nhiều tổ chức chuyên môn trên thế giới quan tâm giải quyết Biện pháp đang được sử dụng là lập lưới trắc địa cấp “không”, thường xuyên quan trắc vệ tinh GPS, thu thập dữ kiện để lập mô hình tính số cải chính

toạ độ quỹ đạo và cải chính đồng hồ cho mỗi vệ tinh ở mỗi thời điểm

1.3.3.2 Định vị tương đối

Khác với định vị tuyệt đối kết quả định vị tương đối không phải là toạ

độ và cao độ WGS84 của điểm đặt máy, mà là gia số toạ độ giữa các điểm đặt máy

Nếu ở định vị tuyệt đối xử lý trị đo trực tiếp thu được từ vệ tinh thì định

vị tương đối xử lý hiệu trị đo giữa các điểm đặt máy, giữa các vệ tinh và giữa các epoch để tính cạnh giữa các điểm (Epoch: thời điểm t mà tại đó những dữ kiện cần thiết từ những vệ tinh trên bầu trời được thu vào một máy thu GPS) Nhờ vậy có thể hạn chế tối đa ảnh hưởng sai số chung cho các điểm máy, ở các vệ tinh và các epoch

Định vị tương đối có thể thực hiện với mã đo cạnh hoặc với pha sóng tải, tuy nhiên bắt buộc phải sử dụng ít nhất hai máy thu cùng đồng thời thu tín hiệu vệ tinh

Có 3 phương pháp định vị tương đối: định vị tĩnh (static), định vị động (kinematic) và định vị giả động (pseudo-kinematic) Giả động thực chất là phương pháp kết hợp giữa tĩnh và động

a Định vị tĩnh

Định vị tĩnh ít nhất phải sử dụng hai máy thu đồng thời thu tín hiệu của

ít nhất 4 vệ tinh trong thời gian khoảng một tiếng đồng hồ, chủ yếu để thực hiện được ít nhất 60 epoch dữ kiện của cùng 4 vệ tinh mới có thể tính được kết quả đáng tin cậy Định vị tĩnh xử lý hiệu trị đo để tính cạnh giữa các điểm đặt máy, có thể là hiệu đo mã hoặc hiệu đo pha sóng tải Tuy nhiên ở đây tập trung trình bày cách xử lý hiệu trị đo pha sóng tải

Có nhiều cách tổ chức hiệu trị đo, ở đây trình bày cách tổ hợp hiệu trị

đo để tính cạnh giữa các điểm đặt máy bằng pha sóng tải trong phép đo tĩnh

Vệ tinh p

Điểm máy i Điểm máy j

Hình 1.12 Sơ đồ lấy các hiệu pha Gần đây đã có những cải tiến để giảm thời gian đo máy xuống còn 10 phút Đó là phương pháp đo tĩnh nhanh (rapid static), chủ yếu dựa trên một phương pháp mới để tính trị N gọi là OTF (On The Fly).Theo phương pháp này có thể tính nhanh chóng trị N, nhưng phải sử dụng máy hai tần và phần mềm chuyên dụng Giá thành định vị tất nhiên cao hơn nhiều

b Định vị động

Phép định vị động là phép đo trong đó một máy thu GPS đặt cố định tại một điểm suốt quá trình đo, trong lúc một hoặc nhiều máy di động di chuyển

xác định những điểm mới Thời gian đứng máy ở điểm mới khoảng vài phút trong trường hợp xác định điểm Máy di động cũng có thể chuyển động liên tục trong bài toán xác định quỹ đạo như bay chụp ảnh Phương trình trị đo trong phép đo động cũng như phép đo tĩnh, tuy nhiên ở đây không thể lập đủ hiệu bội ba, do đó phải xuất phát từ một cạnh đã biết để xác định trị N

Chương 2 cơ sở dữ liệu giao thông phục vụ mục đích quân sự 2.1 Khái quát về cơ sở dữ liệu

2.1.1 Khái niệm cơ sở dữ liệu

Các ứng dụng trên một cơ sở dữ liệu hợp nhất cho phép quản lý tập trung tất cả dữ liệu của các tổ chức Để có cái nhìn tổng quan về cơ sở dữ liệu, chúng ta cần xuất phát từ việc định nghĩa một CSDL, cũng như những ưu điểm nổi trội và các mối quan hệ cơ bản về cấu trúc của nó

a Định nghĩa:

“Cơ sở dữ liệu là tập hợp dữ liệu, liên quan logic đến một chủ đề hay một công việc nào đó, được lưu trữ trong một tổ chức có cấu trúc, sao cho mối quan hệ vốn có giữa các khoản mục hoặc các bộ dữ liệu khác nhau, có thể sử dụng được nhờ phần mềm quản trị CSDL (hệ quản trị CSDL)”

b ưu điểm của CSDL:

Ưu điểm của CSDL là tối thiểu hóa dư thừa dữ liệu, đảm bảo tính nhất quán và toàn vẹn dữ liệu, truy xuất dữ liệu theo nhiều cách khác nhau, nâng cao chia sẻ dữ liệu, có tính bảo mật và an toàn dữ liệu cao

Trong GIS khái niệm CSDL có thể hiểu là một tập hợp các dữ liệu ở dạng vectơ, rastơ, bảng số liệu, văn bản, hình ảnh, âm thanh, đoạn phim được lưu giữ theo khuôn dạng nhất định, có cấu trúc chuẩn sao cho các phần mềm máy tính có thể đọc, xử lý phân tích các bài toán chuyên đề có mức độ phức tạp khác nhau

CSDL quan hệ là CSDL trong đó các dữ liệu được đặt trong các bảng có quan hệ với nhau Hệ quản trị CSDL có khả năng kết nối dữ liệu từ nhiều bảng

để tạo thành một bảng duy nhất, do dữ liệu được đặt trong các bảng có quan

hệ nhau nên hệ quản trị CSDL có thể giảm thiểu sự trùng lặp dữ liệu trong bảng Thông thường, để nhận dạng, phân biệt các bản ghi (record), người ta chọn một trường làm trường khoá chính Trường khoá chính phải thoả mãn

điều kiện là các giá trị bản ghi trong trường khoá chính không được trùng nhau và không được trống

c Mối quan hệ giữa các bản ghi:

Có 4 khả năng tồn tại cho các mối quan hệ giữa các bản ghi: