Bài giảng bản đồ học và hệ thống thông tin địa lý (GIS) phần 1 MSc nguyễn trung hiếu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA CÔNG NGHỆ BÀI GIẢNG LƯU HÀNH NỘI BỘ Bản đồ học Hệ thống thông tin địa lý(GIS) Biên soạn MSc NGUYỄN HIẾU TRUNG Cần Thơ, tháng năm 2000 MỤC LỤC I KHÁI NIỆM VỀ BẢN ĐỒ II TRÁI ĐẤT-QUẢ CẦU ĐỊA LÝ HÌNH DẠNG - KÍCH THƯỚC TRÁI ĐẤT: CÁC QUI ƯỚC VỀ ĐIỂM VÀ ĐƯỜNG CƠ BẢN ĐỂ XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ CÁC ĐỐI TƯỢNG ĐỊA LÝ TREN BỀ MẶT TRÁI ĐẤT TỌA ĐỘ ĐỊA LÝ III CƠ SỞ TOÁN HỌC CỦA BẢN ĐỒ .6 TỈ LỆ PHÉP CHIẾU BẢN ĐỒ HỆ THỐNG PHÂN MẢNH VÀ DANH PHÁP BẢN ĐỒ IV PHƯƠNG PHÁP THỂ HIỆN BẢN ĐỒ 11 PHÂN LOẠI BẢN ĐỒ THÀNH PHẦN CỦA BẢN ĐỒ THÀNH PHẦN CHÍNH THÀNH PHẦN THỨ HAI THÀNH PHẦN PHỤ TRỢ ĐỘ CHÍNH XÁC A CHÍNH XÁC VỀ VỊ TRÍ CHÍNH XÁC VỀ CHỦ ĐỀ CHÍNH XÁC VỀ CACH THỂ HIỆN CHÚ GIẢI TRÊN BẢN ĐỒ - NGÔN NGƯ' BẢN ĐỒ PHƯƠNG PHÁP THỂ HIỆN THÔNG TIN TRÊN BẢN ĐỒ PHƯƠNG PHÁP KÝ HIỆU: A B PHƯƠNG PHÁP BIEU ĐỒ ĐỊNH VỊ: C PHƯƠNG PHÁP CHẤM ĐIEM: D PHƯƠNG PHÁP KÝ HIỆU ĐƯỜNG CHUYEN ĐỘNG: E PHƯƠNG PHAP ĐƯỜNG ĐANG TRỊ: F PHƯƠNG PHAP NEN CHẤT LƯỢNG: G PHƯƠNG PHÁP CARTOGRAM: SỰ KHÁI QUÁT HÓA (GENERALIZATION) VÀ SỰ PHÓNG ĐẠI (AXAGGERATION) .11 13 14 14 14 14 14 14 14 14 16 16 17 17 18 18 19 19 20 I TỔNG QUÁT 21 GIS LÀ GÌ ? ỨNG DỤNG CỦA GIS THÀNH PHẦN CỦA GIS 21 21 22 II CẤU TRÚC DƯ' LIỆU TRONG GIS 23 2 DƯ' LIỆU KHÔNG GIAN DƯ' LIỆU PHI KHÔNG GIAN DƯ' LIỆU VÀ CƠ SỞ DƯ' LIEU LIÊN KẾT DƯ' LIỆU TRONG CSDL 24 24 25 25 III MƠ HÌNH DƯ' LIỆU KHƠNG GIAN 25 MƠ HÌNH DƯ' LIỆU RASTER A PHƯƠNG PHÁP RUN-LENGTH ENCODING: B PHƯƠNG PHAP VALUE POINT ENCODING: C PHƯƠNG PHÁP QUATREES: MƠ HÌNH DƯ' LIỆU VECTOR A SPAGHETTI DATA MODEL (SDM): B TOPOLOGICAL MODEL: C TRIANGULAR IRREGULAR NETWORK (TIN): 27 27 28 28 29 29 30 31 CƠ SỞ DƯ' LIỆU KHÔNG GIAN(CSDLKG) 33 ĐỐI VỚI MƠ HÌNH DƯ' LIỆU RASTER ĐỐI VỚI MƠ HÌNH DƯ' LIỆU VECTOR .34 35 V CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH DƯ' LIỆU KHƠNG GIAN CƠ BẢN (BASIC SPACIAL OPERATIONS) 36 THUẬT TOÁN TRÊN VECTOR A PHÂN LOAI (RECLASSIFY) B VÙNG ĐỆM (BUFFER) C CHỒNG BẢN ĐỒ (OVERLAY) A B C THUẬT TOÁN TRÊN RASTER CÁC PHÉP TOÁN ĐẠI SỐ TREN BẢN ĐỒ (+ , - , *, /) CÁC PHÉP TOÁN LUẬN LÝ TRÊN BẢN ĐỒ (BOLEAN OPERATION) PHÂN TÍCH LAN CẬN (NEIGHBOURHOOD) 36 36 37 38 39 39 40 40 PHẦN I: BẢN ĐỒ I KHÁI NIỆM VỀ BẢN ĐỒ Bản đồ mơ hình thực thể tượng trái đất, thực thể thu nhỏ, đơn giản hóa tượng khái quát hóa để thể mặt phẳng vẽ Bản đồ chứa thơng tin vị trí tính chất vật thể tượng mà trình bày Thế giới thực rộng lớn phức tạp, ngồi giới thực có q nhiều kích thước để thấy bao quát Nếu phần khơng gian chọn để trình bày tỉ lệ nhỏ thực tế thấy cấu trúc dạng phần khơng gian dễ nhiều từ hiểu thấu đáo khu vực nghiên cứu đưa định đắn (như việc tìm đường đi, việc qui hoạch tuyến đường, việc tìm kiếm vị trí thích hợp để xây dựng khu công nghiệp, ) Thông thường đồ mơ hình theo tỉ lệ Có nghĩa tỉ lệ khoảng cách đồ khoảng cách thực tế vị trí đồ, có vài sai số tránh khỏi phần mặt cầu thể mặt phẳng Chúng ta thường gặp vấn đề đồ có tỉ lệ nhỏ trình bày khu vực rộng lớn Thực chất đồ hệ thống thông tin báo chí, sách hay vơ thấy thơng tin mà người vẽ bản đồ dân số, đồ quy hoạch sử trường, II thơng tin khơng gian có tuyến truyền hình Chúng ta đồ muốn truyền tải, ví dụ dụng đất, đồ địa chất thủy văn, khả truyền đổi xem đồ tìm đồ đồ địa hình, đồ địa chất môi TRÁI ĐẤT-QUẢ CẦU ĐỊA LÝ Hình dạng - kích thước trái đất: Bề mặt tự nhiên trái đất phức tạp mặt hình học khơng thể biểu thị qui luật xác định, hình dạng trái đất hình thành bị chi phối hai lực lực hấp dẫn lực ly tâm tạo nên hình dạng ellipsoid trỏi t (hỡnh II.1) Mỷt õởa hỗnh Mỷt ellipsoid Mt geoid BÃ MÀÛT TRẠI ÂÁÚT Trong trắc địa người ta dựng mt geoid, b Hỗnh II.1 mt ny c to mặt nước biển trung bình yên tĩnh keo dài qua lục địa hải đảo tạo thành mặt cong khép kín, có đặc điểm điểm nằm pháp tuyến trùng với phương dây dọi Ngoài ra, tác dụng trọng lực, phân bố không đồng vật chất có tỉ trọng khác lớp vỏ trái đất làm cho bề mặt geoid bị biến đổi phức tạp mặt hình học Như vậy, bề mặt hồn chỉnh trái đất khơng phải bề mặt tốn học, mà mặt sẵn có trái đất Trong khoa học trắc địa đồ, để tiện lợi cho toán đo đạc, người ta lấy mặt ellipsoid trịn xoay có hình dạng kích thước gần giống mặt geoid làm bề mặt tốn học thay cho mặt deoit gọi ellipsoid trái đất Ellipsoid có khối lượng khối lượng geoid, tâm trùng với trọng tâm trái đất, mặt phẳng xích đạo trùng với mặt phẳng xích đạo trái đất Kích thước hình dạng ellipsoid trái đất xác định giá trị phần tử (hình II.2): Độ dẹt ( = (BK trục lớn a - BK trục nhỏ b) / BK trục lớn a cỉûc b = 1/298,3 a a= 6.378.425 xêch âao b = 6.356.864 CC THAM S CUA GEOID Hỗnh II.2 Nhiu cơng trình ngiên cứu khoa học nhằm xác định (, a, b ellipsoid trái đất kết không thống nhất, nước ta trị số F.N Kraxovski năm 1946 dùng làm trị số thức đo đạc: ( = 1/298,3; a = 6.378.425; b = 6.356.864 Các số liệu kích thước trái đất tính sau: Bán kính trung bình trái đất: 6.371,166 km Độ dài vịng kinh tuyến: 40.008,5 km Chu vi xích đạo: 40.075,5 km Diện tích bề mặt trái đất 510,2 triệu km2 Thể tích trái đất: 1083 x 102 km3 Tỉ trọng trung bình: 5,52 g/cm3 Trọng lượng trái đất: 5,977 x 1021 Vì độ dẹt ellipsoid trái đất nhỏ, nên trường hợp đo đạc khu vực nhỏ, người ta coi trái đất khối cầu có bán kính gần trùng với trục quay trái đất, R, theo F.N Kraxovski 6371,116 km Các qui ước điểm đường để xác định vị trí đối tượng địa lý bề mặt trái đất a Cực trái đất: Giao điểm bán kính trục nhỏ (trục trái đất) mặt ellipsoid trái đất gọi cực Trái đất có hai cực cực Bắc (P) cực Nam (P') b Các kinh tuyến: Các mặt phẳng chứa trục trái đất hai cực mặt phẳng kinh tuyến Giao tuyến mặt phẳng kinh tuyến mặt ellipsoid trái đất kinh tuyến c Các vĩ tuyến: Các mặt phẳng thẳng góc với trục trái đất gọi mặt phẳng vĩ tuyến Mặt phẳng qua tâm trái đất chia trái đất thành hai bán cầu: bán cầu bắc bán cầu nam, mặt phẳng xích đạo Mặt phẳng xích đạo cắt mặt ellipsoid trái đất thành vịng trịn lớn gọi xích đạo Các vòng tròn tạo nên mặt phẳng song song với mặt phẳng xích đạo gọi vĩ tuyến Tọa độ địa lý Tất điểm bề mặt ellipsoid trái đất xác định vị trí phương pháp tọa độ Có nhiều hệ thống tọa độ, có hệ tọa độ địa lý Cơ sở để xác định tọa độ địa lý kinh tuyến vĩ tuyến Tọa độ địa lý điểm xác định vĩ độ (() kinh độ (() điểm (hình II.3) - Vĩ độ địa lý: điểm góc hợp đường dây dọi qua điểm mặt phẳng xích đạo Những vĩ độ tính từ xích đạo (0o)về phía bắc đến 90o gọi vĩ độ Bắc (N), phía nam đến 90o vĩ độ Nam(S) - Kinh độ địa lý: điểm góc nhị diện hợp mặt phẳng kinh tuyến gốc mặt phẳng kinh tuyến qua điểm Để tiện xác định vị trí điểm địa cầu, người ta qui định địa cầu có 360 đường kinh tuyến Khoảng cách hai đường kinh tuyến cung trịn có góc tâm 1o Hội nghị thiên văn Quốc Tế họp Wasington (1884) lấy đường kinh tuyến qua đài thiên văn Grinwish gần London, thủ đô Anh, làm kinh tuyến gốc (0o) thống cho toàn giới Các kinh độ tính từ kinh tuyến gốc phía đơng đến 180o kinh độ Đơng (E), Âiãøm M Kinh tuyãún gäúc O0 Xêch âao Kinh âä cua õióứmM Vộ õọ cua õióứm M Hỗnh II.3 v phía tây kinh độ tây (W) Thành phố Hà Nội có tọa độ 105o52' E 21o02' N III CƠ SỞ TOÁN HỌC CỦA BẢN ĐỒ Cơ sở tốn học đồ gồm có: sở trắc địa ( hệ thống lưới tọa độ mặt độ cao chuẩn nhà nước), lưới chiếu, tỉ lệ đồ, khung đồ, bố cục đồ, danh pháp chia mảnh, Tỉ lệ Tỉ lệ (map scale) tỉ số khoảng cách đồ khoảng cách thực tế mà thể hiện, thí dụ tỉ lệ đồ 1:25.000 cm đồ 250 m thực địa Các yếu tố ý chọn tỉ lệ đồ là: - Mục tiêu sử dụng đồ - Yêu cầu người sử dụng đồ - Thành phần đồ - Kích thước vùng thể - Kích thước lớn đồ (xét yếu tố dễ sử dụng) - Thành phần thứ hai (bản đồ nền, thông tin đồ) Thành phần phụ trợ ( thơng tin lề thích, tỉ lệ, tiêu đề ) 13 Thành phần Là phần chủ đề đồ, ví dụ địa lý, địa chất, dân số Đối với đồ địa hình, phần tất thông tin vẽ, bao gồm tên vùng Thành phần thứ hai Đối với đồ chủ đề, thành phần phần địa hình, bao gồm lưới toạ độ Thành phần phụ trợ Bao gồm thông tin lề tiêu đề, thích, tỉ lệ, Độ xác Ba vấn đề độ xác cần quan tâm là: - Chính xác vị trí - Chính xác chủ đề - Chính xác cách thể a Chính xác vị trí Độ xác vị trí vẽ đồ liên quan đến vị trí thực tế thực tế Độ xác ảnh hưởng bởi: - Phép chiếu - Độ xác việc thu thập liệu việc vẽ đồ - Tỉ lệ đồ - Công cụ độ ổn định vật liệu sử dụng việc vẽ đồ Chính xác chủ đề Độ xác chủ đề liên quan đến thông tin chủ đề thể Độ xác ảnh hưởng bởi: - Việc thu thập thơng tin thuộc tính: chất lược liệu thống kê phương pháp thống kê - Việc chuyển đổi liệu: Dữ liệu phần vùng dùng để thể cho tồn vùng, ví dụ trượng hợp đồ mật độ dân số (một huyện có mật độ 50 người/km2 khơng có nghĩa mọiì km2 huyện có 50 người Chính xác cách thể Sự thể biểu tượng đồ quan trong, dùng sai biểu tượng đánh lạc hướng người sử dụng, hay làm mờ ranh giới vùng đồ Chú giải đồ - ngôn ngữ đồ Ngôn ngữ đồ: Hệ thống ký hiệu đồ xem ngơn ngữ, thỏa mãn ba chức sau: - Dạng (hoặc cấu trúc): hình vẽ ký hiệu ghợi cho ta liên tưởng đến đối tượng cần phản ánh - Bản thân ký hiệu phải chứa nội dung số lượng, chất lượng, cấu trúc, động lực phát triển đối tượng cần phản ảnh đồ - Ký hiệu đồ phải phản ảnh vai trò đối tượng khơng gian vị trí tương quan yếu tố khác Các ký hiệu xếp theo quy định định không gian 14 Ngôn ngữ đồ phương tiện tư diễn đạt kết tư duy, phương tiện liên lạc trao đổi nhận thức, công cụ để xây dựng mơ hình thực tế khách quan, phương tri thức loài người đồ Hệ thống ký hiệu qui ước đồ: phương tiện chủ yếu sử dụng ngôn ngữ đồ dạng đồ họa, màu sắc, chữ số Ứng với đặc tính tượng (chủ yếu tượng địa lý) với tính chất đặc điểm đồ họa màu sắc, ký hiệu đồ thường dạng ký hiệu điểm, ký hiệu tuyến ký hiệu diện tích - Ký hiệu điểm (point): đối tượng địa lý phân bố theo điểm riêng biệt (cột mốc trắc địa, đối tượng diện tích nhỏ biểu đồ theo đường biên nhà, trụ điện, ) thể đồ ký hiệu điểm Các ký hiệu dùng để xác định vị trí tượng lấy vị trí tượng làm tâm để vẽ, kích thuớc ký hiệu khơng cần theo tỉ lệ - Ký hiệu tuyến (polyline): thường dùng thể ranh giới (quốc gia, tỉnh, huyện, xã) hay đường giao thơng, sơng ngịi, đường dây điện loại đối tượng phân bố theo chiều dài Ngồi cịn có dạng tuyến tính đặc biệt đường đẳng trị (đồng cao độ, đẳng mặn, đẳng nhiệt ), ký hiệu thể đồ phải thể tỷ lệ theo chiều dài, chiều rộng tăng rộng hai bên đường trung tâm - Ký hiệu diện tích (hay vùng: region): dùng để thể hiện tượng phân bố theo vùng khu vực sử dụng đất đai (rừng, nơng nghiệp, đầm lầy, ) Tồn khu vực phải vẽ theo tỷ lệ đồ giới hạn đường biên ngồi nó, đường biên ngồi thể theo ký hiệu dạng đường (nét liền, chấm gạch, màu ) Trong khu vực thể mẫu tơ phản ảnh tính chất đối tượng (khu trồng lúa có mẫu tơ hình lúa màu xanh, khu đô thị tô màu đỏ sậm, ) Về mặt hình thức ký hiệu, người ta chia thành dạng: - Ký hiệu tượng hình: Thể cách sinh động hình dạng bên ngồi đối tượng, giúp người đọc dễ nhận phân bố không gian đối tượng thể Dạng ký hiệu khó so sánh khó xác định vị trí xác đối tượng - ký hiệu hình học - ký hiệu chữ 15 Phương pháp thể thông tin đồ a Phương pháp ký hiệu: - Dùng ký hiệu đặt vào vị trí đối tượng mà thể - Thường dùng cho đối tượng dạng điểm - Hình thức ký hiệu: Chữ, hình học, tượng hình - Các ký hiệu có khả thể đặc điểm phân bố, số lượng, chất lượng, cấu trúc động lực (xu hướng phát triển, xu hướng thay đổi) đối tượng hay tượng - Thể số lượng tượng: + Thể độ lớn ký hiệu + Thể màu sắc + Thể nét gạch ký hiệu + Thể độ dài ký hiệu (ít sử dụng) + Thể qua diện tích ký hiệu - Thể động lực tượng (sự phát triển dân số): + Ký hiệu tăng trưởng: ký hiệu đặt trùng lên 16 b Phương pháp biểu đồ định vị: - Dùng thể hiện tượng phân bố liên tục tồn mặt đất có biến đổi theo chu kỳ việc nghiên cứu chúng tiến hành điểm định tượng khí - Đặt biểu đồ thể mối tương quan đặc trưng đo đạc hay tính chất tượng muốn thể vào vị trí tượng - Thường dùng cho đối tượng dạng điểm c Phương pháp chấm điểm: - Thể phân tán tượng vùng (phân bố dân cư) - Dùng cho đối tượng dạng vùng - Mỗi điểm (hay ký hiệu) tương đương với số lượng tượng qui ước - Khơng địi hỏi xác mặt địa lý, thể phân bố mặt số lượng phân bố tượng - Có thể dùng màu sắc hay loại ký hiệu điểm khác để thể chất lượng động lực tượng (chấm đỏ: nam, chấm xanh: nữ) 17 d Phương pháp ký hiệu đường chuyển động: - Thể di chuyển cac1 đối tượng, tượng đồ(dịng sơng, tuyến đường, gió) - Dùng cho đối tượng dạng tuyến - Dạng vector (mũi tên) a theo hình dạng c theo mào sắc b theo độ lớn d theo cấu trúc bên e Phương pháp đường đẳng trị: - Đường nối điểm có số số lượng tượng đồ(đồng cao độ, đẳng mưa, đẳng nhiệt ) - Kết hợp với màu sắc để tăng tính trực quan thể mặt số lượng (cường độ màu phản ánh hướng trình tự chuyển tiếp từ trị số thấp đến trị số cao nhất) - Điểm đẳng trị phải bảo đảm tính xác mặt địa lý 18 f Phương pháp chất lượng: - Thể hiện tượng phân bố liên tục bề mặt đất (lớp phủ thực vật, loại đất, ) hay tượng phân bố theo khối (dân cư, phân vùng lãnh thổ) Thể khác vềchất lượng tượng Dùng màu sắc, mẫu tô hay đánh số khu vực ranh giới tượng Vị trí, hình dạng phải bảo đảm tính xác mặt địa lý Dùng cho đối tượng dạng vùng g Phương pháp Cartogram: - Dùng cho đối tượng dạng vùng Đặt biểu đồ thể mối liên quan đặc trưng tượng vào biên tượng Thể số lượng, cấu trúc, động lực tượng 19 Sự khái qt hóa (generalization) phóng đại (axaggeration) Vì đồ thu nhỏ giới thực nên ta khơng thể trình bày cách xác tuyệt đối hình dạng kích thước thực thể Do thường người ta dùng hai kỹ thuật sau để thể thực thể đồ: - Khái quát hóa chọn lựa đơn giản hóa thể thực thể đồ theo tỉ lệ mục đích thích hợp nhằm giúp cho đồ dễ đọc - Sự phóng đại kỹ thuật nhằm phóng to vật thể cần thể tỉ lệ thực nhằm giúp cho đồ dẽ dọc hay nhằm nhấn mạnh vật thể Sự khái quát hóa yêu cầu ý đến yếu tố sau: - Sự chọn lựa: Mục tiêu đồ yếu tố để chọn lựa thực thể nên vẽ đồ Sự chọn lựa thường liên quan đến tỉ lệ đồ - Sự đơn giản hóa: Các thực thể phải trình bày đồ qua nhỏ hay phức tạp mà khơng thể trình bày chi tiết khơng bỏ bớt hay đơn giản hố Tỉ lệ yếu tố tham gia - Lược bỏ: Để trì tính dễ đọc đồ, vài thực thể hiện, rõ ràng Tỉ lệ yếu tố ảnh hưởng yếu tố tự nhiên địa hình quan trọng Mối liên hệ khái quát hóa phóng đại gần, thực phóng đại hóa khái qt hóa Ví dụ trường hợp đồ đường xá tỉ lệ 1/50000, ta vẽ theo tỉ lê đường rộng 10m nét vẽ thể đường rộng 0.2mm cho tất đoạn rẽ hay đoạn xoắn, đồ phải dùng nét vẽ 1mm để thể Tuy nhiên với nét vẽ ta khơng thể thể xác đoạn rẽ đoạn xoắn Khái quát hóa vơi cac tỉ le: a Tỉ le 1:25.000; b 1:50.000; c 1:100.000; d 1:1.000.000 Như lựa chọn biểu tượng để trình bày thực thể quan trọng Nên tránh phóng đại đáng đơn giản hình dạng khơng cần thiết Tài liệu tham khảo: - PTS Lê Huỳnh, 1998, Bản Đồ Học, NXBGD - Nguyễn Thế Thuận, Nguyễn Thạc Dũng N.T, 1999, Trắc Địa Bản Đồ Kỹ Thuật Số Trong Xây Dựng, NXNBGD - C.A.Blok, et.al 1993, Cartographic Visualzation for GIS Postgraduate diploma courses ITC, Hà Lan 20 ... (GENERALIZATION) VÀ SỰ PHÓNG ĐẠI (AXAGGERATION) .11 13 14 14 14 14 14 14 14 14 16 16 17 17 18 18 19 19 20 I TỔNG QUÁT 21 GIS LÀ GÌ ? ỨNG DỤNG CỦA GIS THÀNH PHẦN CỦA GIS 21 21 22 II CẤU TRÚC... TOÁN HỌC CỦA BẢN ĐỒ .6 TỈ LỆ PHÉP CHIẾU BẢN ĐỒ HỆ THỐNG PHÂN MẢNH VÀ DANH PHÁP BẢN ĐỒ IV PHƯƠNG PHÁP THỂ HIỆN BẢN ĐỒ 11 PHÂN LOẠI BẢN ĐỒ THÀNH PHẦN CỦA BẢN ĐỒ THÀNH PHẦN CHÍNH THÀNH PHẦN... c IV 1: 50.000 F-48 -14 4-D 1: 25.000 F-48 -14 4-d 1: 10.000 F-48 -14 4-D-d-4 I VI F-48 (6x6) XXXI XXXVI 12 F-48 (12 x12) 13 3 14 4 1: 100.000 F-48 -14 4 1: 200.000 F-48-XXXVI 16 2 41 F-48 -14 4 (16 x16) 256 1: 5.000