thành lập bản đồ 3d tỷ lệ lớn trên cơ sở kết hợp công nghệ viễn thám, hệ thông tin địa lý và bản đồ số

1 Đại học quốc gia hà nội tr-ờng Đại học khoa học tự nhiên khoa địa lý Hà nhật bình Thành lập bản đồ 3d tỷ lệ lớn trên cơ sở kết hợp công nghệ viễn thám, hệ thông tin địa lý và bản đồ số Chuyên ngành: Bản đồ, Viễn thám và Hệ thông tin địa lý Mã số: 60.44.76 Luận văn thạc sĩ khoa học Ng-ời h-ớng dẫn khoa học PGS. TS Nguyễn Trần Cầu Hà Nội - 2011 1 MỤC LỤC Mục Nội dung Trang MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết của đề tài. 1 2 Mục tiêu của đề tài. 3 3 Nhiệm vụ nghiên cứu. 3 4 Giới hạn và phạm vi nghiên cứu. 3 5 Phương pháp nghiên cứu. 3 6 Cấu trúc luận văn. 4 Chƣơng 1: CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1.1 Bản đồ số và cấu trúc dữ liệu bản đồ số. 5 1.1.1 Khái niệm. 5 1.1.2 Đặc điểm chính. 6 1.1.3 Tính chất của bản đồ số. 8 1.1.4 Cấu trúc dữ liệu của bản đồ số. 9 1.2 Công nghệ Viễn thám, đặc điểm của tƣ liệu viễn thám, khả năng khái thác tƣ liệu viễn thám trong thành lập bản đồ 3D. 12 1.2.1 Tổng quan về tư liệu viễn thám. 12 1.2.2 Xử lý thông tin viễn thám và khả năng khai thác tư liệu viễn thám trong thành lập bản đồ 3D. 21 1.3 Đặc điểm của công nghệ GIS, vai trò và chức năng của GIS thành lập bản đồ 3D. 21 1.3.1 Định nghĩa về GIS. 21 1.3.2 Các thành phần cơ bản của GIS. 22 1.3.3 Tầm quan trọng của GIS. 25 1.3.4 Chức năng cơ bản của GIS. 26 1.3.5 Cơ sở dữ liệu của GIS. 34 1.4 Khả năng và nguyên tắc kết hợp công nghệ Viễn thám và GIS để thành lập bản đồ 3D tỷ lệ lớn. 37 2 1.4.1 Ý nghĩa của việc tích hợp (liên kết) dữ liệu Viễn thám và GIS. 38 1.4.2 Liên kết dữ liệu viễn thám và GIS. 39 1.5 Cơ sở khoa học của việc kết hợp giữa công nghệ Bản đồ, Viễn thám và GIS thành lập bản đồ 3D. 44 1.6 Phƣơng pháp nghiên cứu. 45 Chƣơng 2: ĐẶC ĐIỂM THÀNH LẬP BẢN ĐỒ 3D 48 2.1 Các phƣơng pháp xây dựng bản đồ 3D bằng tích hợp công nghệ bản đồ số, Viễn thám và GIS. 48 2.1.1 Thành lập mô hình địa hình 3D từ ảnh máy bay. 48 2.1.2 Thành lập mô hình địa hình 3D từ mô hình địa hình có sẵn. 49 2.1.3 Thành lập mô hình địa hình 3D từ các nguồn ảnh viễn thám khác. 51 2.2 Khả năng đáp ứng của tƣ liệu viễn thám thể hiện các đối tƣợng địa lý trên bản đồ 3D tỷ lệ lớn. 53 2.3 Thu thập và xử lý thông tin, xây dựng cơ sở dữ liệu hệ thông tin địa lý (GIS DataBase) phục vụ thành lập bản đồ 3D tỷ lệ lớn. 55 2.4 Khả năng áp dụng của các phần mềm trong việc thành lập bản đồ 3D. 57 2.4.1 MicroStation. 58 2.4.2 Autocad Nova Point Virtual Mapper 1.8 59 2.4.3 Multigen Creator v3.0. 60 2.4.4 ArcScene 9.3. 61 2.4.5 Imagine Virtual GIS 8.7; 9.0. 61 2.4.6 3D Studio Max. 62 2.4.7 IMAGIS. 62 2.4.8 SketchUp. 63 2.4.9 Terra Vista. 63 2.4.10 GeoConcept 64 2.4.11 Geomedia Professional 4.0. 64 2.5 Đề xuất phƣơng pháp xây dựng bản đồ 3D bằng tích hợp 65 3 công nghệ Bản đồ số, Viễn thám và Hệ thông tin Địa lý. Chƣơng 3: ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ BẢN ĐỒ SỐ, VIỄN THÁM VÀ HỆ THÔNG TIN ĐỊA LÝ THÀNH LẬP BẢN ĐỒ 3D TỶ LỆ LỚN 66 3.1 Quy trình công nghệ thành lập bản đồ 3D tỷ lệ lớn trên cơ sở kết hợp Viễn thám, GIS và công nghệ bản đồ số. 66 3.2 Khả năng áp dụng phần mềm Multigen và ArcGIS trong việc thành lập bản đồ 3D. 67 3.2.1 Đo đạc ngoại nghiệp, chụp ảnh, xác định độ cao, quay video. 67 3.2.2 Thành lập bản đồ tỷ lệ lớn 1:500 - 1:2000 bằng máy toàn đạc điện tử (dạng file *.dgn). 67 3.2.3 Ảnh vệ tinh, ảnh hàng không. 68 3.2.4 Xây dựng mô hình bằng phần mềm Multigen Creator 3.0 68 3.2.5 Kết quả đầu ra. 68 3.3 Kết quả thực nghiệm thành lập bản đồ 3D tỷ lệ lớn. 68 3.3.1 Tình hình tư liệu. 68 3.3.2 Các bước tiến hành. 69 3.3.3 Tạo mô hình độ cao DEM 74 3.3.4 Thể hiện các nhóm nội dung địa hình khu vực lên mô hình DEM. 78 3.3.5 Phân tích và hiển thị mô hình địa hình 3D khu vực T82 - Sóc Sơn. 82 3.3.6 Tương tác với dữ liệu. 85 3.3.7 Nhận định chung và đánh giá kết quả thử nghiệm. 87 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 89 Kết luận, kiến nghị. 90 Hướng nghiên cứu tiếp theo. 91 TÀI LIỆU THAM KHẢO 92 4 DANH MỤC HÌNH Hình Nội dung Trang Hình 1.1 Bản đồ raster. 9 Hình 1.2 Bản đồ vecter. 10 Hình 1.3 Nguyên lý viễn thám quang học. 12 Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý thu nhận và xử lý số liệu viễn thám 13 Hình 1.5 Một số khái niệm cơ bản về bức xạ điện từ và khả năng khai thác thông tin. 14 Hình 1.6 Đặc trưng dải sóng dùng trong viễn thám. 16 Hình 1.7 Sơ đồ phân loại viễn thám theo bước sóng. 17 Hình 1.8 Bay chụp ảnh hàng không. 19 Hình 1.9 Ảnh hàng không độ phân giải cao. 19 Hình 1.10 Viễn thám vũ trụ. 20 Hình 1.11 Cấu trúc của GIS. 22 Hình 1.12 Xác định vùng đệm thể hiện mối quan hệ giữa các đối tượng. 31 Hình 1.13 Chồng ghép các lớp thông tin. 32 Hình 2.1 Quy trình công nghệ thành lập mô hình địa hình 3D sử dụng ảnh máy bay. 48 Hình 2.2 Quy trình công nghệ thành lập mô hình địa hình 3D từ mô hình địa hình có sẵn. 49 Hình 2.3 Quy trình công nghệ thành lập mô hình địa hình 3D từ các nguồn ảnh viễn thám. 52 Hình 3.1 Quy trình công nghệ. 66 Hình 3.2 Bản đồ 2D khu vực T82. 68 Hình 3.3 File *.dgn mô hình T82. 69 Hình 3.4 Export sang dxf. 70 Hình 3.5 File T82.dxf trong Multigen. 72 Hình 3.6 Ghép ảnh trong Photoshop. 72 Hình 3.7 Nhà N2. 73 5 Hình 3.8 Cổng hoàn chỉnh. 73 Hình 3.9 Tổng quan T82. 74 Hình 3.10 Export từ file dạng 2D sang dạng 3D. 75 Hình 3.11 Tạo mô hình TIN từ file địa hình 3D. 76 Hình 3.12 Mô hình TIN. 77 Hình 3.13 Mô hình GRID. 77 Hình 3.14 Sơ đồ tổ chức dữ liệu trong Geo DATABASE 78 Hình 3.15 Tạo mới một Geodatabase trong ArcCatalog. 79 Hình 3.16 Tạo mô hình lưới ban đầu. 80 Hình 3.17 Tạo mới một feature dataset. 81 Hình 3.18 Tạo nội dung các lớp đối tượng của T82 trong ArcMap. 82 Hình 3.19 Import các đối tượng vào mô hình. 83 Hình 3.20 Hộp thoại Layer Properties. 84 Hình 3.21 Tổng quan địa vật mô hình T82. 84 Hình 3.22 Quang cảnh bên trong T82. 85 Hình 3.23 Truy vấn cơ sở dữ liệu và thông tin thuộc tính các đối tượng. 85 Hình 3.24 Tìm kiếm đối tượng cần hiển thị theo lệnh Select. 86 6 DANH MỤC THUẬT NGỮ 3D (3-Dimension): ba chiều BĐĐH: Bản đồ địa hình CAD (Computer Assisted Design) CPU (Central Processing Unit): Bộ xử lý trung tâm CSDL: Cơ sở dữ liệu DBMS (database Management System): Hệ quản trị cơ sở dữ liệu DEM (Digital Elevation Model): Mô hình số độ cao Geo DATABASE: Cơ sở dữ liệu Địa lý GIS (Geographic Infomation System): Hệ thông tin địa lý GPS (Global Positioning System): Hệ định vị toàn cầu GRID: Lưới ô vuông RS (Remote Sensing): Viễn thám TIN (Triangulated Inregular Network): Lưới tam giác không đều VRML (Virtual Reality Modeling Language): Ngôn ngữ mô hình thực tế ảo 7 Më ®Çu 1. Tính cấp thiết của đề tài Trong những năm gần đây, các công nghệ mới phát triển nhanh chóng, mạnh mẽ như công nghệ bản đồ số, công nghệ viễn thám và công nghệ GIS , các dữ liệu không gian có thể được hiển thị lập thể theo không gian 3 chiều (3D), đáp ứng nhu cầu ngày càng đa dạng của người sử dụng. Ngành Bản đồ từ khi hình thành và phát triển, đến những năm 90 của thế kỷ 20 chỉ mới xây dựng các phương pháp hiển thị các dữ liệu không gian trong môi trường hai chiều. Một câu hỏi được đặt ra là: Ngành Bản đồ có thể khai thác lợi thế của các công nghệ mới GIS, RS và bản đồ số không và khai thác như thế nào ? Ngày nay, công nghệ thông tin phát triển mạnh, thâm nhập vào hầu hết các ngành khoa học và thực tiễn, trước xu thế toàn cầu hóa, việc sản xuất những dạng bản đồ mới cung cấp kịp thời những thông tin cần thiết theo lãnh thổ địa lý, mô phỏng được cảnh quan chung như các dạng bản đồ 3D, giúp cho các nhà hoạch định chính sách của mỗi Quốc gia có cơ sở để xây dựng những chiến lược phát triển bền vững và những quyết sách độc lập trong xu thế chung của toàn Thế giới. Công nghệ thông tin và các phần mềm với nhiều tính năng mới đã và đang được áp dụng trong nhiều lĩnh vực, từ nghiên cứu, quản lý tài nguyên, môi trường, quản lý đất đai, cơ sở hạ tầng kỹ thuật và những lĩnh vực kinh tế - xã hội. Sự phát triển này xuất phát từ những đòi hỏi ngày càng cao về khối lượng và độ chính xác, tin cậy của các thông tin liên quan chủ yếu với thế giới tự nhiên như tài nguyên, môi trường, đến những lĩnh vực liên quan ngày càng nhiều hơn với con người như cơ sở hạ tầng kỹ thuật, kinh tế - xã hội Bản đồ 3D tỷ lệ lớn có rất nhiều ưu điểm. Nó có thể cung cấp cho người dùng khả năng chủ động chọn vị trí quan sát ảo trong bản đồ, cho phép nhận biết và tìm hiểu các dữ liệu không gian cũng như các thông tin thuộc tính liên quan đến các đối tượng địa hình chính xác hơn. Chắc chắn việc áp dụng các công nghệ mới phục 8 vụ cho ngành Bản đồ sẽ nâng cao hoàn thiện chất lượng của các sản phẩm bản đồ, mở ra các lĩnh vực ứng dụng mới. Việc ứng dụng rộng rãi các công nghệ mới, đặc biệt là công nghệ thông tin trong thành lập bản đồ đã được thực hiện ở nhiều nước trên thế giới. Ngành Bản đồ các nước đang hướng đến hai loại bản đồ tiên tiến là bản đồ 3D và bản đồ động. Bản đồ 3D tỷ lệ lớn với các nhóm nội dung, độ chi tiết khác nhau phục vụ cho các mục đích du lịch, quy hoạch và dự báo phát triển trong tương lai cũng đã trở thành thương phẩm thường gặp tại nhiều nước phát triển. Mô hình dữ liệu, phương pháp thành lập, khuôn dạng số liệu cũng rất đa dạng phụ thuộc vào các công nghệ sẵn có trong từng trường hợp. Ở Việt Nam, các ngành Khoa học tuỳ theo yêu cầu riêng và điều kiện vật chất kỹ thuật của mình cũng đã tạo ra nhiều sản phẩm đồ họa có các yếu tố địa hình 3D trong đó như: sơ đồ tuyến, mặt cắt trong các ngành giao thông, thủy lợi; DEM được tạo ra trong quá trình xử lý ảnh máy bay; bản đồ tác chiến trong quân sự; mô hình cảnh quan trong giáo dục hay du lịch. Các số liệu này được thành lập cho một số khu vực nhưng cũng thiếu tính hệ thống và mang đặc trưng của từng ngành. Xuất phát từ tình hình thực tế đó, cần nghiên cứu một cách tổng quát và toàn diện về việc thành lập bản đồ 3D tỷ lệ lớn trên cơ sở kết hợp công nghệ Bản đồ số, Viễn thám và Hệ thông tin Địa lý, nhằm mục đích thiết lập quy trình công nghệ liên hoàn từ khi dữ liệu được đưa vào đến khi xuất dữ liệu thành lập bản đồ và chuẩn dữ liệu cho hệ thống Thông tin địa lý. Tuy nhiên, đây là một công việc lớn, đòi hỏi nhiều thời gian, công sức và cơ sở vật chất, nên trong khoảng thời gian ngắn không thể nghiên cứu, giải quyết được tất cả các vấn đề liên quan đến các thể loại bản đồ 3D và bản đồ động. Đề tài: “Thành lập bản đồ 3D tỷ lệ lớn trên cở sở kết hợp công nghệ Viễn thám, Hệ thông tin Địa lý và Bản đồ số” được chọn, thực hiện, nhằm xây dựng một mảnh bản đồ thử nghiệm. Những kết quả nghiên cứu này cũng có thể ứng dựng cho các lĩnh vực khoa học, kinh tế hoặc cho mục đích giáo dục, du lịch và quân sự 9 2. Mục tiêu của đề tài - Nghiên cứu khả năng và cơ sở khoa học kết hợp công nghệ Viễn thám, Hệ thông tin Địa lý và Bản đồ số để thành lập bản đồ 3D tỷ lệ lớn. - Cung cấp cho người dùng khả năng chủ động chọn vị trí quan sát ảo trong bản đồ, cho phép nhận biết và tìm hiểu các dữ liệu không gian cũng như các thông tin thuộc tính liên quan đến các đối tượng địa hình chính xác hơn, phục vụ trong công tác thiết kế cơ sở hạ tầng, viễn thông, du lịch, giáo dục… Đối tượng phục vụ : - Các cơ quan quản lý, đơn vị nghiên cứu sản xuất. - Các đơn vị trong quân đội. - Các cơ quan nghiên cứu, giảng dạy. - Một số đối tượng khác. 3. Nhiệm vụ nghiên cứu - Tóm tắt về tình hình ứng dụng công nghệ Viễn thám, Hệ thông tin Địa lý (GIS) và Bản đồ số trong thành lập bản đồ 3D. - Thu thập bản đồ số tỷ lệ lớn và chuẩn hóa dữ liệu - Thu thập dữ liệu ảnh vệ tinh. - Điều tra và thu thập thông tin về khu vực có liên quan đến việc thành lập bản đồ. - Xây dựng 01 mảnh bản đồ 3D tỷ lệ lớn. 4. Giới hạn và phạm vi nghiên cứu - Về không gian: phạm vi nghiên cứu trên một khu vực T82 - Sóc Sơn - TP. Hà Nội. Về công nghệ: - Khả năng và cơ sở khoa học của việc kết hợp công nghệ Viễn thám, Hệ thông tin địa lý và bản đồ số trong việc thành lập bản đồ 3D tỷ lệ lớn. - Một mô hình được xây dựng có tính chất thử nghiệm để minh họa cho việc kết hợp công nghệ Viễn thám, Hệ thông tin địa lý (GIS) và bản đồ số. 5. Phƣơng pháp nghiên cứu [...]... Không gian Thuộc tính *Bản đồ, * Số liệu thống kê *ảnh VT * Số liệu đo đạc *ảnh MB * Văn liệu, *ảnh Rada chuyên gia a- Chuyên gia địa lý & các nhà hoạch định chính sách, ra quyết định b- Chuyên gia các chuyên ngành Các KH về Trái ất c- Chuyên gia công nghệ thông tin v.v * Âm thanh * Hình ảnh & Video Các ph-ơng Pháp: Ph-ơng pháp truyền thống Ph-ơng pháp & công nghệ mới Phối hợp các FF &CN Hỡnh 1.11... giảng các kiến thức cơ bản về Hệ thống thông tin địa lý - HTTĐL" - Khoa Trắc địa - Bản đồ, Đại học Mỏ Địa Chất Hà Nội , 1997 1.3.2 Cỏc thnh phn c bn ca GIS GIS c kt hp bi 5 thnh phn chớnh: con ngi, phn cng, phn mm, c s d liu v quy trỡnh Cấu trúc của GIS Ch-ơng trình phần mềm: Thiết bị phần cứng - Mấy chủ, mạng MT, máy tính, -Các thiết bị ngoại vi: +Máy quét, Bàn số hoá, +Máy in, v.v *Arc/Info & ArcView... Chng 1: C s lý lun v phng phỏp nghiờn cu Chng 2: c im thnh lp bn 3D Chng 3: ng dng cụng ngh vin thỏm, H thụng tin a lý v bn s, thnh lp bn 3D t l ln 10 Ch-ơng 1 C S Lí LUN V PHNG PHP NGHIấN CU 1.1 BN S V CU TRC D LIU BN S 7,12 1.1.1 Khỏi nim Bn s l h thng cỏc thụng tin v yu t a hỡnh, cỏc i tng, hin tng a lý c mó hoỏ v lu dng s (to x, y, cao h, v cỏc s liu thuc tớnh), trờn cỏc phng tin k thut... thỏc thụng tin d liu; - Tớnh linh hot: d dng cp nht, chnh sa, hoc cú th thay i phng ỏn thit k, trỡnh by, ký hiu, chng xp hoc tỏch lp thụng tin Do ú, thụng tin ca bn luụn mi, hc theo ý mun ca ngi qun lý, ngi s dng; trong khi ú cỏc thụng tin c vn c bo lu Bn s cũn c phỏt trin thnh dng bn mi: bn 3D, 4D, bn ng, bn a phng tin, truyn trờn internet, giao din trờn cỏc trang web - S dng bn s rt tin li: +... lý v con ngi, c thit k nhm mc ớch nm bt, lu tr, cp nht, iu khin, phõn tớch v kt xut tt c nhng dng thụng tin liờn quan n v trớ a lý - Trong nghiờn cu v Ti nguyờn, mụi trng v nghiờn cu a lý, cỏc nh khoa hc thng quan tõm nhiu n i tng v mc ớch nghiờn cu Vit Nam, nh ngha c nhiu ngi bit n v s dng l nh ngha ca GS.TSKH 27 Đặng Hùng Võ, TS Lê Tiến V-ơng đ-a ra trong "Tập bài giảng các kiến thức cơ bản về Hệ. .. i v tin dng Chỳng ta cú th lu tr nhng dng siờu d liu mt cỏch n gin, hiu qu v rt an ton trong nhng a dung lng ln * Qun lý d liu: i vi nhng d ỏn GIS nh, cú th lu cỏc thụng tin a lý di dng cỏc file n gin Tuy nhiờn, khi kớch c d liu tr nờn ln hn v s lng ngi dựng cng nhiu lờn thỡ cỏch tt nht l s dng h qun tr c s d liu (DBMS) giỳp cho vic lu tr, t chc v qun lý thụng tin Mt DBMS n gin l mt phn mm qun lý. .. thng rt tn kộm v thi gian, cụng sc v tin bc S chi phớ bng tin cho vic xõy dng c s d liu cú th ln hn hn chi phớ phn cng v phn mm GIS iu ú phn no núi lờn ý ngha ca vic qun lý d liu - mt chc nng quan trng ca tt c cỏc h thụng tin a lý Chc nng ny bao gm vic t chc lu tr v truy cp d liu sao cho hiu qu nht 34 Trong lnh vc qun lý d liu cn phõn bit gia d liu logic v d liu vt lý D liu logic l hỡnh nh logic v d... gia d liu khụng gian v d liu phi khụng gian trong GIS l c s xỏc nh chớnh xỏc cỏc i tng a lý v thc hin phõn tớch tng hp GIS Vic xõy dng mt c s d liu GIS l mt u t ln v thi gian, cụng sc v tin bc Do vy, phn d liu GIS phi c qun lý, khai thỏc mt cỏch an ton, tin li, hp lý v hiu qu 30 C s d liu l h thng cỏc thụng tin c lu tr di dng s theo cỏc khuụn dng m mỏy tớnh cú th hiu v c c, hin th c C s d liu trong... trong cựng mt h thng n gin Nú a ra mt khuụn mu nht quỏn phõn tớch thụng tin a lý - GIS cho phộp ta tớnh toỏn v trỡnh by cỏc kin thc a lý theo mt cỏch mi, hp dn, khai thỏc nhanh chúng, thun tin - GIS liờn kt cỏc hot ng ging nhau v a lý * Kh nng ca GIS: - Nhp d liu t nhng ngun d liu khỏc nhau - Lu tr (Storing) v duy trỡ thụng tin cựng cỏc mi quan h khụng gian cn thit - Thao tỏc trờn d liu, tỡm kim,... trang thit b cao cp ó c trang b 26 1.2.2 X lý thụng tin vin thỏm v kh nng khai thỏc t liu vin thỏm trong thnh lp bn 3D X lý thụng tin vin thỏm v kh nng khai thỏc t liu vin thỏm trong thnh lp bn 3D l mt trong nhng khõu quan trng nht ca k thut vin thỏm Mt trong nhng c s ca vic x lý thụng tin vin thỏm l nhng c im ph phn x ca cỏc i tng t nhiờn Mt bc nh l hỡnh nh c ghi li mt thi im nht nh, bc súng nht nh, . khoa địa lý Hà nhật bình Thành lập bản đồ 3d tỷ lệ lớn trên cơ sở kết hợp công nghệ viễn thám, hệ thông tin địa lý và bản đồ số Chuyên ngành: Bản đồ, Viễn thám và Hệ thông tin. đồ 3D bằng tích hợp 65 3 công nghệ Bản đồ số, Viễn thám và Hệ thông tin Địa lý. Chƣơng 3: ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ BẢN ĐỒ SỐ, VIỄN THÁM VÀ HỆ THÔNG TIN ĐỊA LÝ THÀNH LẬP BẢN ĐỒ 3D TỶ LỆ LỚN. loại bản đồ 3D và bản đồ động. Đề tài: Thành lập bản đồ 3D tỷ lệ lớn trên cở sở kết hợp công nghệ Viễn thám, Hệ thông tin Địa lý và Bản đồ số được chọn, thực hiện, nhằm xây dựng một mảnh bản