Giáo trình công nghệ 3s phần 2

Chương CÔNG NGHỆ HỆ THÔNG TIN ĐỊA LÝ 3.1 TỔNG QUAN VÈ HỆ THÔNG TIN ĐỊA LÝ 3.1.1 Khái niệm vê hệ thông tin địa lý Hệ thông tin địa lý (HTTĐL) - Geographycal Information System (GIS) hệ thống quản lý thông tin không gian địa lý phát triển dựa sở cơng nghệ máy tính tin học với mục đích lun trữ, hợp nhất, mơ hình hóa, phân tích, dự báo trình bày nhiều dạng liệu Hiện nay, có nhiều định nghĩa hệ thông tin địa lý sứ dụng, ví dụ: Viện nghiên cứu Hệ thống Mơi trường ESRI cúa Mỹ định nghĩa “Hệ thông tin địa lý tập hợp có tổ chức bao gồm phần cứng, phần mềm máy tính, liệu địa lý người, thiết kế nhằm mục đích nắm bắt, lưu trữ, cập nhật, điều khiển, phân tích kết xuất’'; “Hệ thông tin địa lý hệ thống quản trị sở liệu máv tính để thu thập, lưu trữ, phân tích hiển thị không gian” (National Center for Geographic Information and Analysis, 1988) Chúng ta định nghĩa Hệ thơng tin địa lý l m ộ t h ệ th ố n g th n g tin c ó k h n ă n g th u th ậ p , c ậ p n h ậ t, q u n t r ị v p h â n tí c h , b iê u d ìề r t d liệ u đ ịa l ý p h ụ c v ụ g i a i q u y ế t c c b i to n ứ n g d ụ n g c ó liê n q u a n t i v ị t r í đ ị a lý trên, tr o n g v n g o i b ề m ặ t t r i đ ấ t định nghĩa m ộ t h ệ th ố n g th ô n g tin v i k h a n ă n g tr u y n h ậ p , tìm k iế m , x lý, p h â n tíc h v tr u y x u ấ t d ữ liệ u đ ị a l ý n h ằ m h ỗ t r ợ c h o c ô n g tá c q u a n lý, q u y h o c h v q u a n tà i n g u y ê n th iê n n h iê n & m ô i tr n g Công nghệ hệ thông tin địa lý kết hợp thao tác sở dừ liệu thông thường (như cấu trúc hỏi đáp) cho phép phân tích thốno kê phân tích địa lý, phép phân tích địa lý hình ảnh cung cấp từ đồ Những khả phân biệt hệ thông tin địa lý với hệ thống 123 thông tin khác khiến cho có phạm vi ứng dụng rộng nhiêu lĩnh vực khác (quản lý tài ngun thiên nhiên mơi trường, phân tích kiện, dự đoán tác động hoạch định chiến lược ) N e iỉữ i r CỈU112 T r ir u tư ợ n g C ris th ế g iớ i th i/c P tiầ n m ề m \c ô n g c ụ + CSDL ~J T ltề g iớ i r ln r c K ết q Hình 3.1 Mơ hệ thơng tin địa lý Tại p líả ỉ s dụng H ệ thông tin địa lý? Hệ thống phần mềm hệ thơng tin địa lý kết nối thơng tin vị trí địa lý vật với thông tin thân vật Khác với đồ giấy, hệ thơng tin địa lý tổ hợp nhiều lớp thông tin, mồi loại thông tin đồ bố trí lớp riêng (Hình 3.2), người sứ dụng bật tắt lớp thông tin theo nhu cầu Ví dụ lớp gồm đường khu vực, lớp khác chứa hồ khu vực đó, lớp khác lại chứa tất thành phố Điểm mạnh hệ thơng tin địa lý so với đồ giấy khả cập nhật liệu nhanh cho phép thực phép phân tích khơng gian chọn thơng tin cần theo mục đích sừ dụng Một doanh nhân lập đồ khách hàng thành phố cần xem thông tin khách hàng sống khu vực dân cư, làm việc công sở, trường học với kỳ sư cấp nước lại cần thông tin mạng đường ống nước thành phố nhu cầu sử dụng nước Cả hai đồ chung, bán đồ đường phố vùng lân cận thành phố thông tin mà họ bô xung thêm khác 124 Hệ thơng tin địa lý có vai trị quan trọng quy hoạch quản lý mơi trường giúp cho người định có nhìn bao qt khu vực có vấn đề dùng hệ thống để theo dõi nguồn gây nhiễm Ví dụ người dân liên hệ với quyền địa phương để báo cáo việc nước sơng có mùi lạ Chính quyền địa phương sử dụng hệ thơng tin địa lý để kết hợp thông tin khu công nghiệp huyện tỉnh với thơng tin vị trí tất sông, suối địa bàn Biện pháp xác định tất khu cơng nghiệp nằm gần sơng hay suối chảy sơng Nếu mẫu nước xét nghiệm chất gây ô nhiễm phát quyền địa phương sử dụng hệ thơng tin địa lý để tìm tất khu cơng nghiệp địa bàn có sử dụng chất gây nhiễm sản xuất Hình 3.2 Các lóp thơng tin hệ thống Với mục đích quy hoạch, dùng hệ thơng tin địa lý để xác định sở công nghiệp không tuân thủ tiêu chuẩn Việt Nam nước thải Các khu công nghiệp mục tiêu kế hoạch giám sát tác động môi trường tới Bằng cách đó, quyền địa phương lập đồ tất khu công nghiệp tuân thủ tiêu chuẩn môi trường tất khu công nghiệp cần có hành động đế cải thiện điều kiện mơi 125 trường khu vực Có thể tính khoảng cách nhà máy từ đồ nhờ tính thời gian cần để khảo sát nhà máy Chính mạnh đó, thấy sử dụng hệ thông tin địa lý lại lợi tổng quát, phát triển công nghệ thông tin dẫn đến phát triển song song tự động hóa cơng tác thu thập liệu, phân tích liệu, trình bày liệu nhiều lĩnh vực trắc địa đồ, địa chất, quy hoạch phát triển, mơi trường Do có nhiều cơng việc phải xử lý thông tin liên quan phối hợp nhiều chuyên ngành khác nên cần phải có hệ thống quản lý, liên kết liệu từ nhiều nguồn vào khác đồ, ảnh hàng không, ảnh vệ tinh, số liệu quan trắc, điều tra, Hay nói cách khác cần phải phát triển hệ thống cơng cụ để thu thập, tìm kiếm, biến đổi, phân tích hiển thị liệu không gian từ giới thực nhằm phục vụ thực mục đích cụ thể Tập hợp công cụ tạo lập hệ thông tin địa lý, hệ thống thể đối tượng từ giới thực thông qua liệu bản: - Vị trí đối tượng thơng qua hệ tọa độ; - Các thuộc tính đối tượng; - Quan hệ không gian đối tượng Như vậy, nhờ hệ thông tin địa lý, người sử dụng truy vấn thơng qua số dạng câu hỏi để hệ thống trà lời là: + Có vị trí này? + Mối quan hệ các.đối tượng nào? + Ở đâu thỏa mãn điều kiện này? + Cái thay đổi thay đổi từ thời điếm đến thời điểm khác? + Những mẫu không gian tồn tại? + N ó trình diễn ra? + Từ ta thấy rằng, hệ thơng tin địa lý có chức ban mơ theo hình 3.3 126 Thu thập mã hóa dự liệu Thao tác xử lý liệu Phân tích không gian Sắp xếp liệu Quản lý CSDL Hiện thị liệu Hình 3.3 Chức hệ thơng tin địa lý Theo Meaden Kapetsky (1991) chức hệ thơng tin địa lý chia thành nhóm điều dễ nhận chức chủ yếu tập chung vào vấn đề liệu hệ thống, cụ thể: * Thu thập mã hóa: Là q trình thực tiếp nhập liệu đầu vào chuyển liệu theo khuôn mẫu áp dụng cho hệ thông tin địa lý * Thao tác xử lý: Nhằm mục đích đưa liệu dạng tập tin cho máy tính dễ dàng sử dụng * Sắp xếp liệu: Là cách lựa chọn thông tin dựa tiêu chuẩn chủ đề * Biểu diễn: Là thực việc biếu diễn liệu biểu đồ, đồ, bảng biểu đối tượng địa lý * Quản lý sở liệu: Là việc xếp quản lý liệu phức tạp cho việc truy cập, kết nối dễ dàng, lưu trữ bảo quản liệu bảo đảm cho hệ thống ln hoạt động * Phân tích khơng gian: Phân tích khơng gian q trình thực loạt thao tác truy vấn tọa độ địa lý, truy vấn dừ liệu đặc tính (truy vấn phi khơng gian) hay thao tác dừ liệu từ dừ liệu ban đầu 127 (chồng xếp đồ, cắt theo vùng, tách lọc thơng tin, ) Q trình thực hai mối quan hệ: - Mối quan hệ liệu thuộc tính liệu khơng gian - Mối quan hệ không gian đối tượng địa lý Kết phân tích khơng gian thể thông qua đồ, đồ thị, báo cáo tất sản phẩm Như vậy, hệ thông tin địa lý khác với hệ thống thông tin khác, chủ yếu mơ tả việc nghiên cứu tồn thực thể không gian mối quan hệ chúng Thuật ngữ "Địa lý" thực tế đồng nghĩa với thuật ngữ “không gian” Cấu thành hệ thông tin địa lý bao gồm hệ thống xừ lý hay gọi hệ thống máy tính gồm phần cứng phần mềm, sở liệu, đội ngũ cán kỹ thuật phương thức tổ chức Hệ thông tin địa lý khoa học liên ngành, liên quan đến nhiều chuyên ngành thuộc Khoa học trái đất Địa lý học, Kỹ thuật Trắc địa-Bản đồ, Đo ảnh Viễn thám, Kỳ thuật Địa chất, ; Tốn học, Cơng nghệ thơng tin, kinh tế - xã hội Công nghệ hệ thông tin địa lý ứng dụng Khoa học Trái đất mang lại cho nhiều lợi ích như: - Cho khả tích hợp nhiều dạng liệu với nhiều nguồn khác - Sử dụng tra cứu, cập nhật thơng tin phân tích khơng gian hữu hiệu, giảm chi phí cơng tác quản lý - Việc phân tích khơng gian hệ thống làm thay đổi cách nhìn nhận giới cách hành xử với nhà chung trái đất - Tăng cường khả phối họp quan nhiều lĩnh vực trợ giúp nhiều thông tin dẫn đến định đắn 3.1.1.2 K h niệm chuẩn d ữ liệu Hệ thống thông tin phát huy tác dụng rộng rãi dừ liệu hệ thống định chuẩn Điều kiện giúp cho thông tin trao đổi rộng rãi hơn, người sử dụng thông tin nhiều hơn, hệ thống cập nhật thông tin 128 đa dạng hơn, hiệu tránh lãng phí q trình phát triển Muốn ngành cần thống chuẩn chung sở dừ liệu hệ thông tin địa lý mang tính Quốc gia vấn đề đưa quy định chuẩn hóa liệu cơng việc cần thiết phải làm quan chủ quản nước ta Bộ Tài nguyên Môi trường Chuẩn hóa liệu hệ thống tiêu chuẩn cách thức mô tả lưu trữ thông tin hệ thống sở liệu, khuôn dạng lưu trữ trao đổi liệu, nội dung mối quan hệ đối tượng địa lý mơ tả hệ thống Chuẩn liệu cịn quy định tiêu chuẩn, nội dung thông tin siêu liệu (Metadata) Chuẩn liệu tổ chức quốc tế quốc gia xây dựng ban hành áp dụng thống Nhiều quốc gia giới Hoa Kỳ, Nhật bản, Nga, Trung Quốc xây dựng hệ thống chuẩn quốc gia sở liệu thông tin địa lý Trước đây, chưa xây dựng chuẩn Quốc gia sở liệu địa lý Do nhu cầu sử dụng, số dự án xây dựng hệ thông tin địa lý bộ, ngành địa phương tự xây dựng số quy định tạm thời chuẩn liệu để sử dụng Để nghiên cứu hiểu nội dung chuẩn Quốc tế ISO/TC211 OPENGIS áp dụng vào Việt Nam, Bộ Tài nguyên Mơi trường phê duyệt dự án chuẩn hóa hệ thống thông tin quốc gia Năm 2008, Bộ tài nguyên Môi trường ban hành chuẩn sở liệu địa lý quốc gia.Trong đó, chuẩn ISO - 19.100 Bảng 3.1 áp dụng xây dựng Quy chuẩn thông tin địa lý sở Quốc gia Có nhiều ý kiến cho tài liệu “Chuẩn thông tin địa lý sở quốc gia” áp dụng “nguyên” tài liệu chuẩn nước vào Việt Nam Điều hồn tồn khơng Chuẩn ISO/ OPENGIS đưa quy tắc chung phương pháp để xây dựng chuẩn thông tin địa lý cho quốc gia Mục đích để nhiều quốc gia hay khu vực giới có tiếng nói chung nghiên cứu vấn đề trái đất có liên quan đến thơng tin địa lý 129 Bảng 3.1 Quy chuẩn thông tin địa lý sở Quốc gia No Chuẩn TTĐLCSQG Bộ Tiêu chuẩn ISO-19100 Chuẩn ngơn ngữ mơ hình hóa sử ISO/TS 19103 Geographie Information dụng thông tin địa lý Conceptual Schema Language Chuẩn lược đồ liệu không gian ISO/DIS 19107 Geographic Information - Spatial schema Chuẩn lược đồ liệu thời gian ISO/DIS 19108 Geographic Information - Temporal schema Chuẩn quy tắc xây dựng lược đồ ISO/DIS 19109 Geographic Information ứng dụng - Rules for Application Schema ISO/FDIS 19110 Geographic Chuẩn phương pháp xây dựng Information - Methodology for Feature danh mục đối tượng địa lý Cataloguing Chuẩn nguyên tắc đánh giá chất ISO/FDIS 19113 Geographic lượng liệu địa lý Information - Quality principles Chuẩn quy trình đánh giá chất ISO 19114 Geographic Information lượng liệu địa lý Quality evaluation procedures Chuẩn siêu liệu ISO 19115 Geographic Information Metadata Chuẩn trình bày liệu địa lý ISO 19117 Geographic Information Portrayal 10 Chuẩn hệ quy chiếu tọa độ ISO 19111 Geographic Inform ationSpatial Referencing by Coordinates 11 Chuẩn mã hóa liệu ISO 19101 Geographic Information Endcoding 12 Chuần trao đổi liệu ISO 19136 Geographic Information Geography Mark-up Language Việc áp dụng chuẩn ISO xây dựng chuẩn thông tin địa lý Việt Nam thực chất bắt đầu Bộ Tài nguyên M ôi trường, nhằm đưa cấu trúc chung sản phẩm liệu địa lý để khắc phục tình trạng chồng chéo đầu tư kinh phí cho việc xây dựng liệu phục vụ cơng tác điều tra Việc hình thành lớp thông tin hầu hết dựa vào nội dung đô hành, áp dụng nguyên tắc khái qt hóa, phương pháp phân loại đơi tượng địa lý, phương pháp lập danh mục đối tượng để xây dựng danh mục đổi tượng địa lý sở Quốc gia Nhưng chuẩn dừ liệu địa lý 130 không chi có danh mục đối tượng mà đối tượng cịn bị chi phối 12 nội dung bảng 3.1, đặc biệt quan hệ không gian đối tượng, chất lượng liệu Chính chi phối dẫn đến cấu trúc danh mục đối ' tượng địa lý có số điểm phân loại thuộc tính khác với nội dung ỉ , địa hình hành Bên cạnh việc vận dụng quy chuẩn quốc tế ISO/TC211, chuẩn thông tin địa lý sở quốc gia xây dựng quan điểm kế thừa : văn kỹ thuật đo đạc đồ hành Trong trình thực hiện, Bộ Tài nguyên Môi trường giao cho Cục Đo đạc Bản đồ Việt Nam tiếp tục nghiên cứu chuẩn thông tin địa lý Quốc gia cho phù hợp với Việt Nam có khả trao đổi dừ liệu quốc tế Ngày 19/3/2012, Bộ Tài nguyên Môi trường ban hành Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia số QCVN 42:2012/BTNM T kèm theo thông tư số 02/2012/TT-BTNMT chuẩn thông tin địa lý sở quốc gia (National technical regulation on Standard o f basic geographic information) Chuẩn thông tin địa lý sở Quốc gia quy chuẩn để xây dựng Quy định kỹ thuật liệu địa lý (tài liệu sử dụng trực tiếp thi công xây dựng dự án) Nội dung tài liệu chuẩn sở Quốc gia có sử dụng nhiều khái niệm, thuật ngữ chuyên môn, cụ thể: ký hiệu thuật ngữ sử dụng lược đồ khái niệm; mơ hình cấu trúc liệu địa lý; Mơ hình khái niệm liệu khơng gian; mơ hình khái niệm liệu thời gian; Phương pháp lập danh mục đối tượng địa lý; danh mục đối tượng địa lý sở Quốc gia; hệ quy chiếu tọa độ; nội dung siêu liệu địa lý sở; chất lượng liệu địa lý; trình bày dừ liệu địa lý; lược đồ GML sở; quy tắc xây dựng lược đồ ứng dụng GML; quy tắc chuyển đổi lược đồ ứng dụng ƯML sang lược đồ ứng dụng GML số địa website hữu ích 3.1.1.3 X u th ể p h t triển h ệ thông tin địa lý Hệ thông tin địa lý ngày khẳng định sức mạnh nhiều lĩnh vực sống, dường chưa đến với người Lý dễ nhận hệ thống ứng dụng hệ thông tin địa lý hầu hết chạy máy tính đơn cài đặt module xử 131 lý hệ thơng tin địa lý Đây lý cản ừở khả ứng dụng rộng rãi hệ thống Ví dụ, khách hàng muốn tìm đến doanh nghiệp mà muốn sử dụng ứng dụng hệ thơng tin địa lý thượng đế phải mang theo Pocket PC cài ứng dụng tìm kiếm doanh nghiệp, phải chịu khó trở nhà đến quan để tìm đến máy tính cài đặt ứng dụng để tìm kiếm thơng tin Qua ta nhận thấy, với ứng dụng hệ thơng tin địa lý mang tính cộng đồng cần sử dụng w h e r e v e r , tức nơi đâu, mơ hình ứng dụng chạy máy đơn không đáp ứng Internet đời vào thập niên 90 kỷ XX rút ngắn khoảng cách người, cho phép bạn “ngồi nhà, nhìn tồn giới” Mơ hình ứng dụng hệ thông tin địa lý chạy Internet cho phép người dùng công cụ nào, cần truy cập Internet chắn họ tìm kiếm thơng tin cần Xu phát triển hệ thông tin địa lý là: Truyền thông đa phương tiện, Googe Erth, WebGis, Mobile G is , WebGIS hệ thông tin địa lý phân tán mạng máy tính để tích hợp, trao đổi thông tin địa lý World Wide Web Trong cách thực nhiệm vụ phân tích hệ thông tin địa lý, dịch vụ gần giống kiến trúc Client - Server Web Xử lý thông tin địa lý chia thành nhiệm vụ phía Server phía Client Điều cho phép người dùng truy xuất, thao tác nhận kết từ việc khai thác liệu hệ thống từ trình duyệt web họ mà khơng phải trả tiền cho phần mềm ứng dụng Ngoài ra, với phát triển công nghệ điện thọai di động thông minh, hệ thống Mobile GIS phần mở rộng hệ thông tin địa lý Hệ thống giúp ứng dụng hệ thông tin địa lý hoạt độne ngồi thực địa thay hoạt động phòng Mobile GIS kết hợp với hệ thống định vị toàn cầu GPS cho phép người sử dụng ngồi thực địa thu thập, lưu trữ, phân tích hiển thị thơng tin địa lý 132 tốn đường khuất thuật toán đường ẩn, mặt ẩn Sutherland (1974) Paulidis (1982) đưu thuật toán đường ẩn với liệu phân nhánh thuật toán mặt ẩn với liệu raster dạng đường để giải vấn đề quan sát tạo mơ hình biểu diễn đường Hình 4.12 Biểu đồ khối DEM 4.5.5.2 c tính kh ối lư ợng toán đào lấp đấ t Khi xây dựng cơng trình dạng tuyến đường sắt, đường ô tô, người ta phải biểu diễn địa hình dải đất dọc theo tuyến dạng mặt cắt dọc (theo trục địa hình) mặt cắt ngang hướng vng góc với trục tuyến nên mơ hình số độ cao sử dụng để tạo mơ hình dáng đất từ ước tính khối lượng đào đắp Việc ước tính giúp cho việc ước tính giá thành cách xác Muốn vậy, ta phải xây dựng mơ hình số độ cao cho khu vực cách đo đạc lập đồ trước công việc đào đắp bắt đầu Sau tạo mơ hình số thứ hai cho khu vực với tình trạng giống sau thi cơng Từ ta xác định khối lượng đào đắp cơng trình 4.5.5.3 M hình địa líìnlí tự động n h m ô hình số độ cao Khi đường rãnh (lõm) gờ (lồi) chưa số hóa riêng rẽ phải lấy chúng từ ma trận độ cao bàng thủ tục tự động Chẳng hạn cần xác định rõ đường dẫn nước ảnh hàng không chồng chập mơ hình số độ cao u cầu lưới tam giác mơ hình phải chứa tất thông tin gờ rãnh cần thiết thơng tin cần đưa vào xác số hóa Mặt khác,các ma trận độ cao sử 222 dụng việc tính định lượng khác chi phí, thời gian lại nên hữu ích có phương pháp chung để mơ tả đặc điểm đường miền Neu mơ hình số độ cao ban đầu dạng ma trận độ cao cần có phương pháp tự động phát gờ rãnh để tạo lưới tam giác bổ xung Cho tới nay, trước phân tích định tính mạng thủy văn lưu vực sơng ngịi, người ta phải chép nhiều số liệu từ đồ in ảnh hàng không Công việc đưa đến nhiều sai số liệu Vấn đề lớn việc sử dụng ma trận độ cao để phát đặc điểm đường, miền việc tồn “hố” nhiễu gây Lưới thơ làm vài đường gờ rãnh Các sai số làm tròn làm cho vùng phẳng có đường gờ, rãnh rời rạc Có thể phát hố cửa sổ 3x3 ô Một ô coi hố độ cao nhỏ bàng độ cao tám ô lân cận Phát đường gờ rãnh Để phát đường gờ cần phải xác định vị trí tất chỗ lồi lên, cịn với rãnh cần phải xác định vị trí chồ lõm xuống Thuật tốn thứ nhất: Dùng cửa sổ bốn ô Để phát đường rãnh, ta phải đánh dấu vng có độ cao lớn Sau khi, cửa sổ di chuyển khắp ma trận độ cao Cuối ô không đánh dấu rãnh Tiếp theo việc nối ô không đánh dấu lại thành đường rãnh Còn để phát đường gờ làm tương tự, đánh dấu ô vuông có độ cao nhỏ Thuật tốn thứ hai: Giống định lý Cauchy “Khoảng cách ngắn từ điểm mặt cong tới điểm thấp đường dốc nhất” thuật tốn cần cửa thoát nước (điểm dừng thuật toán) vị trí bắt đầu Với trừ cửa nước, độ cao so với tám lân cận lân cận có độ cao nhỏ đánh dấu lượng nước chảy vào Sau cửa sổ chuyển tới vừa đánh dấu q trình lặp lại Đường dẫn nước mã hóa với độ xám tương ứng với lượng nước chảy qua Thuật tốn tốn thời gian nhớ (chậm 20 lần so với thuật toán thứ nh ất) Tuy dễ phát “hố” liệu độ cao 223 Xác định biên giới đường dẫn nước \ / / w 6 Đ iểm bẽn ; / / hoặc7 \ Hình 4.13 Xác định biên giới đường dẫn nước Việc phát đường gờ điểm tất yếu phải làm thực cơng việc cần tìm biên giới đường dẫn nước để phân cách với phần cịn lại sở liệu Đầu tiên người ta tính độ dốc hướng cục cho tất Sau xác định cửa thoát nước đường dẫn Tiếp theo máy tính tìm kiếm tất nằm đường dẫn nước “ngược dịng” với cửa nước (đi ngược từ cuối lên) Thuật toán cửa sổ 3x3 vị trí mà tâm (ơ trung tâm) nước Một ngược dịng với tâm cửa sổ hướng mặt trung tâm (hình 4.13) Tại điểm “ bên trong” kiểm tra tám ô lân cận kể góc rìa lưu vực Neu ô lân cận đánh dấu “bên trong” bỏ qua, trái lại coi “ngược dịng” gần nằm ngang chọn làm tâm củá cửa sổ Thuật tốn duyệt mơ hình số độ cao tìm thấy gờ rìa lưu vực Sau quay lui lặp lại toàn lưu vực đánh dấu Phương pháp duyệt mồi ô lần bỏ qua ô bên ngồi lưu vực dẫn nước C ó th ể dùng ngơn ngữ c lập trình c h o thuật tốn Ư u điểm cùa thuật tốn tìm hố xử lý sơ dừ liệu độ cao để loại bớt nhiều hố tốt N ó ứng dụng rộng rãi việc xác định lưu vực sơng ngịi, vẽ đồ hệ thống thủy văn, so sánh tính chất cua lưu vực 224 4.5.6 Các phép toán liên quan đến khoảng cách Hệ thơng tin địa lý có khả giúp giải số , tốn khơng gian liên quan đến khoảng cách, cụ thể: - Tính khoảng cách hình học điểm tới hay nhiều đối tượng - Tính hệ số trở ngại, chi phí di chuyển bề mặt khơng phẳng - Tìm đường ngắn (chi phí khoảng cách nhất) hay nhiều điểm điểm có chi phí thấp bề mặt - Bài tốn phân bố thực phân bố không gian bề mặt theo khoảng cách để thỏa mãn số yêu cầu 225 MỤC LỤC » NÓI ĐÀU CHƯƠNG CƠNG NGHỆ ĐỊNH VỊ TỒN CÀU 1.1 T ổ n g q u a n v ề h ệ t h ố n g đ ịn h vị toàn c ầ u 1 L ịch s phát triển c ủ a h ệ t h ố n g định vị to n c ầ u 1 C c n h p hần c ủ a h ệ t h ố n g đ ịnh v ị toàn c ầ u 1.2 H ệ t h ố n g đ ịn h vị toàn cầ u G L O N A S S v G A L I L E O 13 H ệ t h ố n g đ ịn h vị toàn cầ u G L O N A S S 13 2 H ệ t h ố n g đ ịn h v ị toàn cầ u G A L I L E O .14 1.3 P h n g p h p đ o c n h G P S 16 Đ o cạ n h t h e o m ã 16 Đ o c n h b ằ n g p s ó n g t ả i 18 1.4 N g u y ê n lý đ ịn h v ị b ằ n g G P S 20 Đ ị n h vị G P S tu y ệ t đ ố i 20 Đ ị n h v ị G P S t n g đ ố i .21 Đ ị n h v ị G P S vi p h â n 23 1.5 C c n g u n sai s ố ảnh h n g đ ế n kết q u ả đ o G P S .30 Sai s ố h ệ t h ố n g 30 Sai s ố m ô i t r n g 31 Sai s ố đ hình v ệ t i n h 33 Sai s ố n g i đ o 35 5 N h i ễ u S A v n h iễ u A S .35 CHƯƠNG CÔNG NGHỆ VIẺN THÁM 37 Giới th iệ u c h u n g viễn t h m 37 1 N g u y ê n lý v i ễ n t h m 37 H ệ t h ố n g v iễ n t h m 39 B ộ c ả m b i ế n V ệ t i n h 41 P hâ n loại v iễ n t h m 2 Đ ặ c tính p n x p h ổ c ù a đ ố i t ợ n g 45 2 Khái 226 niệm đặc trư n g phản xạ phổ c ù a đối t ợ n g tự n h i ê n 45 2.2.2 Đặc tính phản xạ phổ đối tượng tự nhiên 47 2.2.3 M ột số yếu tố ảnh hưởng tới khả phản xạ phổ đối tượng tự nh iên .55 2.3 Đặc trưng cùa ảnh số viễn thám 59 2.3.1 Khái niệm ảnh số 59 2.3.2 Các đặc trưng ảnh số viễn thám 65 2.4.Tăng cường chất lượng ảnh viễn thám 70 2.4.1 K ỹ thuật tăng cường độ tương phản 70 2.4.2 Nâng cao cấu trúc ảnh 76 2.4.3 Mã hóa màu 80 2.4.4 Một số phép biến đổi ảnh 82 2.5 Nắn chỉnh hình học ảnh viễn thám 83 2.5.1 Khái niệm nắn chỉnh hình học ảnh viễn thám 83 2.5.2 Nguyên lý chung nắn ảnh số 83 C c p h n g p há p nắn ả n h .9 2.6 Phân loại thông tin ảnh viễn thám 97 2.6.1 Khái niệm phân loại thông tin ảnh viễn thám 97 2.6.2 Phương pháp phân loại có kiểm định .100 2.6.3 Phương pháp phân loại không kiểm định .111 2.6.4 Đánh giá độ xác phân loại phổ .114 2.7 Sơ lược lịch sử phát triển viễn thám 116 2.7.1 Trên giới .116 2.7.2 Ở Việt Nam 119 CHƯƠNG CỒNG NGHỆ HỆ THÔNG TIN ĐỊA LÝ 123 3.1 Tổng quan hệ thông tin địa lý 123 3.1.1 Khái niệm hệ thông tin địa lý 123 3.1.2 Sự hình thành phát triển hệ thông tin địa l ý .133 3.2 Các thành phần hệ thông tin địa l ý 135 3.2.1 Hệ thống phần cứng 136 3.2.2 Hệ thống phần mềm 140 3.2.3 Cơ sở liệu 145 3.2.4 Đội ngũ cán kỹ thuật 146 3.2.5 Phương thức sách, quy định pháp l ý 146 227 3.3 Cơ sở liệu hệ thông tin địa lý '4 3.3.1 Khái niệm sờ liệu mô hình sở liệ u 146 3.3.2 Cấu trúc sờ liệu hệ thông tin địa lý 157 3.4 M ô hình số độ cao 169 3.4.1 Khái niệm mơ hình sổ độ cao 169 3.4.2 Các phương pháp biểu diễn mơ hình số độ c a o 171 3.5 Siêu liệu - Metadata 180 3.5.1 Khái niệm metadata .180 3.5.2 Metadata cho liệu địa lý 183 3.6 Thu thập cập nhật liệ u 185 3.6.1 Thu thập liệu địa lý 185 3.6.2 Thu thập liệu thuộc tính .187 3.6.3 Cập nhật thông tin 188 3.7 Bảo toàn bảo mật thông tin 188 3.7.1 Bảo toàn liệ u 188 3.7.2 Bảo tồn liệu q trình cập nhật, sữa đổi liệ u 189 3.7.3 Mất liệ u 189 3.7.4 Bảo mật thông tin 190 CHƯƠNG MỘT SÓ ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ 3S 191 4.1 ứ ng dụng dẫn đường, định vị tìm kiế m 191 4.2 Thành lập độ địa hình đồ chuyên đ ề 193 4.2.1 Thành lập đồ địa hình 193 4.2.2 Thành lập đồ nông nghiệp vàsử dụng đ ấ t 198 4.2.3 Thành lập đồ lớp phủ rừng 200 4.2.4 Bản đồ đường đồng mức độ xám .201 4.2.5 Bản đồ đường ngắm 201 4.2.6 Bản đồ độ dốc, độ lồi, độ lõm dáng địa hình 202 4.2.7 Bản đồ vờn bóng địa hình 204 4.3 ứng dụng địa chất .206 4.3.1 Thành lập đồ địa chất, tài nguyên khoáng sả n 206 4.3.2 Giải đốn yếu tố tuyến tính 206 4.3.3 Trong nghiên cứu địa ch ấ t 206 4.3.4 Theo dõi chất lượng nước m ặt 208 228 4.4 Trong nghiên cứu môi trường thiên t a i 209 4.5 Úng dụng phân tích khơng gian 211 4.5.1 Hỏi đáp sờ liệ u 211 4.5.2 Tìm kiếm phân tích liệ u 212 4.5.3 Phân tích mạng 215 4.5.4 Chồng xếp liệu không gian 216 4.5.5 Các phép toán nội suy bề m ặt 221 4.5.6 Các phép toán liên quan đến khoảng cách 225 MỤC LỤC 226 DANH MỤC HÌNH VÀ BẢNG 230 TÀI LIỆU THAM KHẢO 234 229 DANH MỤC HÌNH VÀ BẢNG Hình 1.1 Các thành phần hệ thống định vị toàn cầu * Hình 1.2 Hệ thống định vị tồn cầu GPS .9 Hình 1.3 Vệ tinh GPS H ìn h 1.4 Các trạm đ iề u k h iể n mặt đất G P S 10 Hình 1.5 Trạm điều khiển mặt đất đặt H a w aii 10 H ìn h Các trạm đ iề u k h iể n m ặ t đất h ệ t h ố n g G P S 11 H ìn h 1.7 Sơ đ k h ố i m y thu G P S 12 H ìn h ] M ộ t s ố loại m y thu G P S 13 H ìn h 1.9 H ệ t h ố n g đ ịn h v ị to n cầ u GLONA S S 14 Hình 1.10 Một số vệ tinh hệ thốngGLONASS 14 H ìn h 1.1 H ìn h ản h h ệ t h ố n g G A L I L E O h o n t h n h 15 H ìn h 1.1 H ìn h ảnh v ệ t in h đ ợ c đ a v o q u ỹ đ o c ủ a h ệ t h ố n g G A L I L E O 16 H ìn h 1.13 Đ o c n h t h e o m ã 16 H ìn h 1.1 Q u y c h u ẩ n v ề h ệ g i GPS 17 Hình 1.15 Đo cạnh bàng sóng radio 18 H ìn h 1.1 Trị đ o p h a s ó n g tải tr o n g m y thu G P S 19 H ìn h 1 Đ ị n h v ị G P S v i phân d iện h ẹ p 25 H ìn h 1.1 Đ ị n h v ị G P S v i phân d iệ n r ộ n g 26 H ìn h 1 H ệ t h ố n g đ ịn h vị G P S vi phân t ă n g c n g 29 Hình 1.20 Sai số tầng điện l y 31 Hình 1.21 Sai số tầng ion tầng đối lư u 32 Hình 1.22 Sai số tượng đa đường dẫn 32 H ình 1.2 Sai s ố h iệ n t ợ n g trưọt ch u k ỳ 33 H ìn h 24 Sai số đ hình v ệ t i n h 34 Hình Ị Phản xạ quang phổ cùa nưóc, đất thực v ậ t 38 Hình 2.2 Bức xạ đối vói vật thể đen 38 Hình 2.3 M ối quan hệ quang phổ điện từ cảm b iến 39 Hình 2.4 Hệ thống viễn thám 39 Hình 2.5 Phân loại theo nguồn tín hiệu 43 Hình 2.6 Phân loại theo đặc điểm quỹ đạo 43 230 Hình 2.7 Sơ đồ phân loại viễn thám theo bước sóng .44 Hình 2.8 M ột số phản x 46 Hình 2.9 Đặc tính phản xạ phổ số đối tượng tự nhiên 47 Hình 2.10 Đặc tính phản xạ phổ thực vậ t ' 48 Hình 2.11 Đặc tính hấp thụ nước 48 Hình 2.12 Đặc tính phản xạ phổ thực vậ t 49 Hình 2.13 Đặc tính phản xạ phổ thổ nhưỡng 50 Hình 2.14 Khả phản xạ phổ đất phụ thuộc vào độ ẩm 51 Hình 2.15 Khả phàn xạ hấp thụ nước 53 Hình 2.16 Khả phản xạ phổ số loại nước 53 Bảng 2.1 Độ thấu quang phụ thuộc vào bước sóng „í. 54 Hình 2.17 Cửa sổ khí .58 Bảng 2.2 Các bước sóng cửa sổ 59 Hình 2.18 Mô ảnh số : 60 Hình 2.19 Mơ cấu trúc ảnh Spot đa phổ 61 Hình 2.20 Lượng tử tuyến tính 62 Hình 2.21 Lượng tử phi tuyến tính 62 Hình 2.22 Mô khuôn dạng ảnh số vệ tin h 64 Hình 2.23 Các đường cong phổ đặc trư ng 66 Hình 2.24 Các đưịng cong phổ tương ứng 66 Hình 2.25 Khơng gian phổ đặc trưng .67 Hình 2.26 Tích hợp thơng t in 69 Hình 2.27a Hàm phân bố xác suất 70 Hình 2.27b Histogram thống k ê 70 Hình 2.28 Nâng cao tỷ lệ 72 Hình 2.29 Nâng cao tuyến tính phần 72 Hình 2.30 Hàm nâng cao Logarit hàm nâng cao m ũ 73 Hình 2.31 Cân hóa Histogram 74 Hình 2.32 Histogram hóa 75 Hình 2.33 Tổ họp màu ảnh vệ tinh 81 Hình 2.34 Hiện màu giả ảnh Radar 81 Hình 2.35 Sơ đồ nguyên lý nắn ảnh số 84 Hình 2.36 Mơ ngun lý nắn ảnh trục tiệp 85 Hình 2.37 Mô nguyên lý nấn ảnh gián tiế p 86 231 Hình 2.38 Hàm số SIN phân bố lý tường ^ Hình 2.39 Phương pháp nhân chập bậc Hình 2.40 Tái chia mẫu song tuyén 90 Hình 2.41 Nắn ảnh dựa phương trình tạo ảnhhình học 94 Hình 2.42 Định nghĩa lớp 99 Hình 2.43 Xác suất sai số PE cho phân loại xác suất cực đ i 100 Hình 2.44 Khoảng cách “ City Block” d| Khoảng cách "Ơcơlít" d? mảng hai chiều .104 Hình 2.45 Ranh giới cho lớp, tập hợp hai chiều 105 Hình Bản chất hình học phân loại hình hộp .106 Hình 2.47 Sơ đồ mạng noron lan truyền ngược 108 Hình 2.48 Đồ thị hàm chữ s 109 Hình 3.1 Mô hệ thông tin địa l ý 124 Hình 3.2 Các lớp thông tin hệ thổng .125 Hỉnh 3.3 Chức hệ thông tin địa lý .127 Bảng 3.1 Quy chuẩn thông tin địa lý sở Quốc gia 130 Hình 3.4 Mơ thành phần cùa hệ thông tin địa lý .135 Hình 3.5 Hệ thống phần cứng 136 Hình 3.6 Sơ đồ tổng quát hệ sở liệ u 149 Hình 3.7 Cấu trúc cùa sở liệ u 150 Hình 3.8 Mơ hình liệu phân cấp 152 Hình 3.9 Mơ hình liệu mạng 153 Bảng 3.2 Mô hình quan hệ sờ liệ u 154 Hình 3.10 Đối tưọng dạng điểm 159 Hình 3.11 Đối tưọng dạng đường 159 Hình 3.12 Đối tưọng dạng vùng .160 Hình 3.13.Dữ liệu vector biểu thị dạng điểm 160 Hình 3.14 D ữ liệu vector biểu thị dạng đường 161 Hình 3.15 Dữ liệu vector đưọc biểu thị dạng vùng 162 Hình 3.16 So sánh quan hệ hình học quan hệ topology cùa liệu vector .164 Hình 3.17 Dừ liệu topology cùa đối tượng điểm 165 Hình 3.18 D ữ liệu topology cùa đối tượng đường 166 Hình 3.19 Dừ liệu topology cùa đối tượng vùng 166 232 ỈHình 3.20 Dữ liệu Vector Raster tương ứng .168 íHình 3.21 Liên két liệu khơng gian thuộc tính 169 'Hình 3.22 M hình số độ cao biểu diễn bề mặt địa hình 170 Hình 3.23 cấu trúc mạng lưới tam giác không đ ề u 174 Hình 3.24 cấu trúc Topology mạng T IN 175 Bảng 3.3 So sánh GRID DEM TIN D E M 178 Hình 4.1 Úng dụng GPS dẫn đường bay chụp ảnh hàng khơng 191 Hình 4.2 Mơ hình ứng dụng cơng nghệ 3S hỗ trợ cơng táccứu nạn 192 Hình 4.3 Ước tính tầm nhìn cùa nhà cao tầng 202 Hình 4.4 Bản đồ vờn bóng địa hìn h 205 Hình 4.5 Hệ thơng tin địa lý môi trường 210 Hình 4.6 Tìm kiếm liệu bên vùng có bán kính xácđ ịn h 213 Hình 4.7 Minh họa kết tìm kiếm theo địa c h i 214 Hình 4.8 Minh họa kết tìm kiếm mạng giao th ô n g 216 Hình 4.9 Minh họa chồng xếp đưịng thẳng đa giác 219 Hình 4.10 Chồng xếp Raster phép cộng 220 Hình 4.11 Minh họa chồng xếp Raster bàng phép cộng 220 Hình 4.12 Biểu đồ khối D E M 222 Hình 4.13 Xác định biên giới đường dẫn nước 224 233 TÀI LIỆU THAM KHẢO Phạm Hoàng Lân, ứ n g dụng công nghệ GPS Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Hà N ội, 2000 Nguyễn Trường Xuân, C sở hệ thông tin địa lý, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Hà N ội, 2005 Nguyễn Trường Xuân, Công nghệ Viễn Thám , Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Hà N ội, 2005 Nguyễn Trường Xuân, Công nghệ hệ thông tin địa lý, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Hà N ội, 2009 Nguyễn Trường Xuân, Công nghệ Đo ảnh số, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Hà Nội, 2009 Nguyễn Trường Xuân, C sở liệu địa lý, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Hà N ội, 2010 Arctur D Zeiler, M Designing G eodatabase: Case Studies in GIS Data M odeling, ESRI, Inc, 2004 Connie Blok, Principles o f G eographic Infromation System, Exercises Module 3, ITC Education Textbook Series, Third edition Enschede, the Netherlands, 2004 Janssen, L L F, Principles o f Remote Sensing ITC Education Textbook, Enschede, the Netherlands, 2004 10 Jemes, B, Camplell Introduction to Remote Sensing Third edition, London and N ew York, 2002 11 John R.Jensen, Introductory D igital Image Processing U SA 1996 12 John Picle, Cartography, Digitan Transition and Questions of Hystory, ICA, Ottawa, 1999 234 13 Kraak, M J, Brown, A Eds, Web cartography, developtment and prospects, London, UK, 2000 14 Keith Clarke, Analytycal and Computer Cartography , N ew York, 1990 15 Martien Molenaanr, An Introduction Into The Theory o f Logic Hierarchical Object fo r Geo-Information System, ITC, 1997 16 Michael F Goodchild, Cartographic Futures on a Digital Earth, ICA Ottawa 1999 17 Moik J.G, Digital Processing o f Remotely Sensed Images, National Aeronautics and Space Administration, Washington DC., 1980 18 Paul Curran, Base Principles o f Remote Sensing, University o f Sheffield Research Fund, Sound Yorksshire, 1983 19 P.A.Burrouch, Principle o f Geographycal Information System fo r Land Resources Assessment, Oxford, 1987 20 Wang Zhizhuo, Principles o f Photogrammetry (With Remote Sensing), Wuhan Technical University o f Surveying and Mapping, China, 1990 21 Yang Kai and Bian Fu-ling, Digital Image Processing Techniques o f Remote sensing, Wuhan Technical University o f Surveying and Mapping, China,1988 235 Chịu trách nhiệm xuất Phạm N gọc Khôi Biên tập Nguyễn Tiến Hùng Chế điện tử Đào N gọc Oanh Trình bày bìa Trần N gọc Tuấn NHÀ X U Ấ T BẢN K H O A H Ọ C VÀ K Ỹ T H U Ậ T 70 T rầ n Hưng Đạo, Hoàn K iếm , Hà Nội In 500 bản, khổ 16 X 24 crrụ Cône ty TNHH Thương mại & Dịch vụ Nguyễn Lâm Số đăng ký xuất bản: 599- 2014/CXB/2-33/KHKT Quyết định xuất số: 27/Q Đ X B -N X B K H K T - ngày 02/4/2014 In xong nộp lưu chiêu Quý II năm 2014