Phương pháp xây dựng mô hình địa hình(Methods for Constructing a Terrain Model)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NƠNG LÂM TP HỒ CHÍ MINH KHOA MÔI TRƯỜNG & TÀI NGUYÊN BỘ MÔN GIS & TÀI NGUN Bài giảng: Mơ hình hóa bề mặt (Surface modeling) KS Nguyễn Duy Liêm Điện thoại: 0983.613.551 Email: nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Copyright © 2014 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Mơ hình hóa bề mặt TRƯỜNG ĐẠI HỌC NƠNG LÂM TP HỒ CHÍ MINH KHOA MÔI TRƯỜNG & TÀI NGUYÊN BỘ MÔN GIS & TÀI NGUN Phương pháp xây dựng mơ hình địa hình (Methods for Constructing a Terrain Model) Đường bình độ (Contours) Mạng lưới tam giác không (Triangulated Irregular Networks) Mạng lưới ô vuông (Regular Grid Networks) Copyright © 2014 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Mơ hình hóa bề mặt Nội dung  Nhắc lại: Mơ hình hóa bề mặt địa hình (Terrain Modeling)  Phương pháp biểu diễn bề mặt địa hình (Representation of Terrain Surfaces)  Hình thức: Bản đồ (Maps), Hình ảnh (Photographs)  Nội dung: Đường bình độ (Contours), Mạng lưới tam giác không (TINs- Triangulated Irregular Networks), Mạng lưới ô vuông (Regular Grid Networks)  Cấu trúc liệu (Data Structures), Phương pháp xây dựng (Construction Methods)  Đường  bình độ  Mạng lưới tam giác không  Mạng lưới ô vuông Chuyển đổi phương pháp biểu diễn bề mặt địa hình (Conversion involved in Representation of Terrain Surfaces) Copyright © 2014 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Mơ hình hóa bề mặt Tài liệu tham khảo  Terrain Analysis- Principles and Applications (2000)  1.1.1,  Digital Terrain Modeling- Principles and Methodology (2005)  1.1.1,  2.1 - 2.4 1.1.2, 1.2.2, 3.1 Digital Terrain Modeling- Acquisition, Manipulation and Applications (2005)  1.4, Chapter Copyright © 2014 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Mơ hình hóa bề mặt Nhắc lại  Mơ hình hóa bề mặt địa hình (Terrain Modeling)  Biểu diễn bề mặt địa hình dạng raster, pixel thể giá trị độ cao bề mặt địa hình vị trí  Q trình mơ bề mặt địa hình thơng qua:  tập hợp điểm phân tán,  tập hợp liệu dạng đường,  tập hợp liệu dạng vùng Copyright © 2014 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Mơ hình hóa bề mặt Từ bề mặt Trái đất đến mơ hình bề mặt địa hình! Bản đồ Hình ảnh Đường bình độ Mạng lưới tam giác khơng Hình thức Mơ hình địa hình (Terrain model) Nội dung Mạng lưới vng Xây dựng (Manipulation) Điểm độ cao Đường bình độ Ảnh viễn thám Thu thập liệu (Data capture) Xử lý, thiết lập mối quan hệ liệu đầu vào mơ hình địa hình Khảo sát, đo đạc, thu thập liệu địa hình Địa hình thực tế (Reality) Copyright © 2014 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Mơ hình hóa bề mặt Phương pháp biểu diễn bề mặt địa hình  Bản  Cổ đồ đại (ancient times) Bản đồ địa hình khu vực đập Đa Nhim (Lâm Đồng) (1:250.000)  Tranh vẽ (painting)  Chất lượng thấp  Không thể sử dụng cho mục đích kỹ thuật  Hiện đại (modern times)  Đo lường dựa quy tắc tốn học  Tổng qt hóa (generalization)  Biểu tượng hóa (symbolization)  Phổ biến đồ địa hình dạng đường bình độ Phương pháp biểu diễn bề mặt địa hình  Hình ảnh hình ảnh, sau không ảnh (aerial photographs) sử dụng Ảnh Thành phố Huế vệ tinh VNREDSat-1 chụp ngày 13/5/2013  1849, đầu, công nghệ trắc địa ảnh (photogrammetry)  Ban  Từ 1970, bổ sung ảnh vệ tinh (satellite images) Phương pháp biểu diễn bề mặt địa hình  Từ kỷ 20, biểu diễn địa hình dạng số phát triển với cơng nghệ máy tính, tốn học, đồ họa máy tính tính trở thành phương tiện quan trọng biểu diễn địa hình dạng số  Máy  Bề mặt địa hình dạng số biểu diễn toán học đồ họa Phương pháp biểu diễn bề mặt địa hình  Đường bình độ (Contours)  Tập hợp đường nối liền điểm có độ cao theo khoảng cao cho trước  Mạng lưới tam giác không (TINs- Triangulated Irregular Networks)  Tập hợp tam giác không nằm kề nối liền điểm độ cao theo quy tắc Delaunay  Mạng lưới ô vuông (Regular Grid Networks)  Tập hợp ô vuông (pixel) nằm kề thể giá trị độ cao Copyright © 2014 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Mơ hình hóa bề mặt 10 Mạng lưới tam giác không (TINs)  Tập hợp điểm độ cao kết nối tam giác khơng theo quy tắc Delaunay Copyright © 2014 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Mơ hình hóa bề mặt 28 Mạng lưới tam giác không (TINs)  Quy tắc xác định tam giác Delaunay  Xác định vòng tròn ngoại tiếp:  Trong đường tròn ngoại tiếp tam giác đó, khơng có điểm khác ngồi ba đỉnh Copyright © 2014 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Mơ hình hóa bề mặt 29 Mạng lưới tam giác không (TINs)  Quy tắc xác định tam giác Delaunay  Góc lớn nhất- nhỏ nhất:  Tối đa hóa góc nhỏ tối thiểu hóa góc lớn tam giác Copyright © 2014 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Mơ hình hóa bề mặt 30 Mạng lưới tam giác không (TINs)  Cấu trúc liệu (nodes) – Cạnh (edges) – Tam giác (triangles) – Topology  Nút  Cạnh  Mỗi cạnh chứa nút  Nút:  Yếu tố tảng  Chứa thông tin độ dốc (dựa theo nút đầu cuối)  Bắt nguồn từ điểm liệu đầu vào  Mỗi nút có giá trị độ cao, mối liên kết với nút khác  Tam giác  Mỗi tam giác chứa nút  Chứa thông tin độ dốc, hướng dốc, diện tích bề mặt, chu vi bề mặt  Xem xét tồn tam giác, rút thơng tin thể tích, mặt cắt, phân tích tầm nhìn,… Copyright © 2014 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Mơ hình hóa bề mặt 31 Mạng lưới tam giác không (TINs)  Cấu trúc liệu  Nút (nodes) – Cạnh (edges) – Tam giác (triangles) – Topology  Topology  Định nghĩa nút, cạnh mối liên lệ với tam giác khác  Mỗi tam giác, TIN lưu trữ thông tin: (1) Mã số tam giác, (2) Tam giác liền kề, (3) Mã số ba nút, (4) Tọa độ x, y nút, (5) Giá trị z nút Copyright © 2014 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Mơ hình hóa bề mặt 32 Mạng lưới tam giác không (TINs)  Phương pháp tạo TINs  Phương pháp tĩnh:  Xem xét tất liệu để tạo thành mạng tổng thể  Phương pháp động:  Cho phép thêm, xóa điểm tam giác q trình xử lý  Phương pháp sơ đồ Voronoi Copyright © 2014 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Mơ hình hóa bề mặt 33 Mạng lưới tam giác không (TINs)  Tạo TINs từ phương pháp tĩnh (vector)  Chọn điểm khởi đầu cho tam giác Delaunay  Trọng tâm điểm liệu (Elfick 1979)  Đoạn thẳng ngắn nối điểm (Yeoli 1977)  Đoạn thẳng nằm ranh giới tưởng tượng (McCullagh and Ross 1980)  Đoạn thẳng nằm ranh giới lồi (Tsai 1993; Gosper 1998) Copyright © 2014 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Mơ hình hóa bề mặt 34 Mạng lưới tam giác không (TINs)  Tạo TINs từ phương pháp tĩnh (vector)  Tìm kiếm điểm tạo thành tam giác Delaunay  Từ điểm bắt đầu, chọn điểm gần tạo thành cạnh sở tam giác  Điểm thứ tam giác xác định cách vẽ vòng tròn từ trung điểm cạnh sở với bán kính đó,  Nếu có điểm nằm vịng trịn, chọn điểm Copyright © 2014 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Mơ hình hóa bề mặt 35 Mạng lưới tam giác khơng (TINs)  Tạo TINs từ phương pháp tĩnh (vector)  Tìm kiếm điểm tạo thành tam giác Delaunay  Từ điểm bắt đầu, chọn điểm gần tạo thành cạnh sở tam giác  Điểm thứ tam giác xác định cách vẽ vòng tròn từ trung điểm cạnh sở với bán kính đó,  Nếu có điểm nằm vịng trịn, chọn điểm có góc đối diện với cạnh sở lớn  Nếu khơng có điểm nằm vịng trịn, mở rộng bán kính tìm kiếm Copyright © 2014 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Mơ hình hóa bề mặt 36 Bài tập  Trong không gian Oxyz, cho điểm A (1,3,100), B (1,2,200), C (4,2,600), D (5,3,400), E (3,1,400), F (3,3,300), G (5,1,200) với z giá trị độ cao (m) Vẽ mơ hình TIN mặt phẳng Oxy?  Hãy trình bày cơng thức tổng quát (có chứng minh) xác định số lượng tam giác Delaunay TIN dựa số lượng điểm đầu vào cho trước? (Gợi ý: phương pháp quy nạp) Copyright © 2014 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Mơ hình hóa bề mặt 37 Yêu cầu cần đạt  Nắm bắt quy tắc Delaunay, cấu trúc liệu TINs?  Mô tả, lý giải ưu nhược điểm TINs biểu diễn bề mặt địa hình? Copyright © 2014 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Mơ hình hóa bề mặt 38 Chuyển đổi đường bình độ TINs  TIN  đường bình độ: Tạo đường bình độ với khoảng cao 100m từ TIN Bước Tạo mơ hình TIN Bước Hồn tất mơ hình TIN (cạnh tam giác khơng cắt sơng ngịi) Bước Đánh dấu điểm độ cao cạnh tam giác (dựa khoảng cao đều, 2300m, 2400m,…) 2500 2600 Bước Vẽ đường đồng mức (Nối điểm độ cao, Gán nhãn độ cao) Copyright © 2014 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Mơ hình hóa bề mặt 40 Chuyển đổi đường bình độ TINs  Đường bình độ  TIN  Lấy điểm mẫu đường bình độ  Chuyển phương pháp tạo TIN từ điểm độ cao Copyright © 2014 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Mơ hình hóa bề mặt 41 Bài tập  Trong không gian Oxyz, cho điểm A (1,3,100), B (1,2,200), C (4,2,600), D (5,3,400), E (3,1,400), F (3,3,300), G (5,1,200) với z giá trị độ cao (m)  Từ mơ hình TIN, vẽ đường bình độ với khoảng cao 100m (có ghi độ cao)? Copyright © 2014 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Mơ hình hóa bề mặt 42 u cầu cần đạt  Nắm bắt, vận dụng quy tắc chuyển đổi đường bình độ TINs? Copyright © 2014 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Mơ hình hóa bề mặt 43