TÍCH HỢP GIS VÀ ẢNH VIỄN THÁM HỖTRỢ QUẢN LÝ VÙNG VEN BIỂN HẢI PHÒNG

TÍCH HỢP GIS VÀ ẢNH VIỄN THÁM HỖTRỢ QUẢN LÝ VÙNG VEN BIỂN HẢI PHÒNG

1 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Lê Thanh Bình TÍCH HỢP GIS VÀ ẢNH VIỄN THÁM HỖ TRỢ QUẢN LÝ VÙNG VEN BIỂN HẢI PHÒNG Chuyên ngành: KHOA HỌC MÁY TÍNH Mã số: 60 48 01 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH KHOA HỌC MÁY TÍNH NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS. Đặng Văn Đức Thái Nguyên - 2010 2 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan bản luận văn “Tích hợp GIS và ảnh viễn thám hỗ trợ quản lý vùng ven biển Hải Phòng” là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Đặng Văn Đức, tham khảo các nguồn tài liệu đã được chỉ rõ trong trích dẫn và danh mục tài liệu tham khảo. Các nội dung công bố và kết quả trình bày trong luận văn này là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất cứ công trình nào. Thái Nguyên, ngày 10 tháng 10 năm 2010 Lê Thanh Bình 3 PHỤ LỤC MỞ ĐẦU 7 1. Lý do chọn đề tài 7 2. Mục tiêu nghiên cứu và tính cấp thiết của đề tài .7 3. Phạm vi nghiên cứu và ứng dụng .7 4. Ý nghĩa khoa học .7 5. Phương pháp nghiên cứu 7 TỔNG QUAN .8 NỘI DUNG .6 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ GIS VÀ VIỄN THÁM 10 1.1. Khái quát về Hệ thông tin địa lý GIS .10 1.1.1. Khái niệm Hệ thông tin địa lý 10 1.1.2. Các thành phần của Hệ thông tin địa lý .13 1.1.3. Các chức năng của Hệ thống thông tin địa lý .16 1.1.4. Hệ thông tin địa lý làm việc như thế nào .18 1.2. Khái quát về viễn thám 23 1.2.1. Định nghĩa 23 1.2.2. Phân loại viễn thám theo bước sóng 23 1.2.3. Nguyên lý cơ bản của viễn thám .24 1.2.4. Ứng dụng của viễn thám .26 1.2.5. Phân loại viễn thám .27 1.2.6. Vấn đề thu nhận và phân tích tư liệu viễn thám .29 CHƯƠNG 2. TÍCH HỢP GIS VÀ ẢNH VIỄN THÁM TRONG QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN THIÊN NHIÊN VÀ MÔI TRƯỜNG 31 2.1 Thu thập ảnh viễn thám bằng TerraLook 31 2.2 Thu thập và tiền xử lý dữ liệu bản đồ véctơ 32 2.3 Nắn chỉnh dữ liệu bản đồ 39 2.4 Đơn giản hóa dữ liệu không gian 43 2.5 Chồng ghếp bản đồ .44 2.6 Một số thuật toán minh họa 49 CHƯƠNG 3. THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH BIẾN ĐỘNG .55 4 3.1 Giới thiệu bài toán 54 3.2 Giới thiệu về ArcGIS 54 3.2.1 Giới thiệu về phần mềm ArcGIS 54 3.2.2 Giới thiệu về ArcMap .55 3.3 Vị trí vùng nghiên cứu 57 3.4 Khái quát biến động địa hình vùng nghiên cứu .58 3.4.1 Nắn chỉnh bản đồ vector theo ảnh vệ tinh .58 3.4.2 Chồng ghép bản đồ .61 3.4.3 Tính diện tích biến động .62 KẾT LUẬN .63 TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 5 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1. Mô hình một hệ thống thông tin địa lý . 9 Hình 1.2. Các tầng trong GIS . 9 Hình 1.3. Các thành phần của GIS . 11 Hình 1.4. Sơ đồ tổ chức hệ thống phần cứng máy tính 12 Hình 1.5. Phần mềm GIS và các chức năng thực hiện .13 Hình 1.6. Chức năng của Hệ thống thông tin địa lý 15 Hình 1.7: Các layer 16 Hình 1.8. Dữ liệu biểu diễn dạng Vector . 18 Hình 1.9. Dữ liệu biểu diễn dạng Raster . 19 Hình 1.10. Biểu diễn dạng vector, raster 19 Hình 1.11. Mô tả các dạng Raster, Vector và bề mặt trái đất 20 Hình 1.12. Phân loại viễn thám theo bước sóng 22 Hình 1.13. Nghiên cứu viễn thám theo đa quan niệm 23 Hình 1.14. Hoạt động của hệ thống viễn thám chủ động và bị động 26 Hình 1.15 Mô hình viễn thám vệ tinh địa tĩnh và viễn thám vệ tinh quỹ đạo cực .26 Hình 2.1: Ảnh vệ tinh Landsat năm 2000 chụp dải bờ biển Hải Phòng . 30 Hình 2.2. Ảnh vệ tinh Landsat năm 1990 chụp dải bờ biển Hải Phòng . 30 Hình 2.3. Phần mềm nhập bản đồ qua bàn số hóa 35 Hình 2.4. Số hóa bản đồ . 36 Hình 2.5. Minh họa thuật toán Douglas-Peucker 36 Hình 2.6. Chồng ghép dữ liệu .42 Hình 2.7. Chồng ghép đa giác 44 Hình 2.8. Tiến trình phủ đa giác . 45 Hình 2.9. Đường và đa giác lệch nhau .46 Hình 2.10. Giao của các đoạn thẳng 48 Hình 2.11. Điểm trong đa giác . 49 Hình 2.12. Điểm trong đa giác . 49 Hình 2.13. Diện tích đa giác .50 Hình 2.14. Giao 2 đa giác 51 Hình 2.15. Xác định cạnh trong đa giác . 52 Hình 2.16. Tách các đa giác kết quả . 52 Hình 3.1. Giới thiệu ArcGIS .54 Hình 3.2. Giới thiệu ArcMAP .56 Hình 3.3. Các điểm khống chế được lựa chọn 57 Hình 3.4. Lựa chọn điểm khống chế trên bản đồ vector 58 Hình 3.5. Lựa chọn điểm khống chế tương ứng trên ảnh VT năm 2000 . 58 Hình 3.6. Thao tác nắn chỉnh 59 Hình 3.7. Nắn chỉnh bản đồ vector theo ảnh vệ tinh năm 2000 . 59 Hình 3.8. Nắn chỉnh bản đồ vector theo ảnh vệ tinh năm 1990 . 60 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Mô hình dữ liệu Vectơ 17 Bảng 1.2 So sánh mô hình Raster và Vector . 19 6 7 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài - Công nghệ GIS và viễn thám đã được các nước phát triển trên thế giới phát triển ứng dụng hiệu quả, tại Việt Nam hiện tại công nghệ này mới ở giai đoạn khởi đầu. - Hải Phòng là thành phố có dải bờ biển đẹp và tương đối dài. Theo thời gian thì dải bờ biển này có sự biến động. Lựa chọn đề tài này để nắm được và chỉ ra sự biến động đó. 2. Mục tiêu nghiên cứu và tính cấp thiết của đề tài Ứng dụng GIS và viễn thám trong việc xác định biến động dải bờ biển Hải Phòng theo thời gian. 3. Phạm vi nghiên cứu và ứng dụng - Các tài liệu, thông tin có liên quan tới GIS - Các tài liệu, thông tin liên quan tới xử lý ảnh viễn thám và dữ liệu bản đồ 4. Ý nghĩa khoa học Thông qua việc sử dụng công nghệ GIS và ảnh viễn thám để hỗ trợ công tác quản lý tài nguyên thiên nhiên. 5. Phương pháp nghiên cứu - Khai thác thông tin từ nhiều nguồn, hệ thống hóa và lựa chọn các thông tin cần thiết. - Tìm hiểu, khảo sát thực tế hiện trạng công tác quản lý tài nguyên thiên nhiên - Sử dụng các công cụ thu thập và xử lý ảnh viễn thám, thu thập dữ liệu bản đồ - Sử dụng phương pháp chuyên gia phân tích và thiết kế hệ thống, xây dựng kiến trúc tổng thể, xây dựng các chi tiết kỹ thuật, nghiên cứu xây dựng mô hình. 8 TỔNG QUAN Việt Nam có đường bờ biển dài 3200 km, với khoảng 3000 đảo và khoảng 4000 xã ven biển. Cũng giống như nhiều nước Đông Nam Á, phần lớn dân số, công nghiệp, dịch vụ, đầu tư, những thành phố lớn đều nằm ven biển. Thành phố Hải Phòng có dải bờ biển dài trên 125 km, thấp và khá bằng phẳng, cấu tạo chủ yếu là cát bùn do 5 cửa sông chính đổ ra biển. Có khoảng gần 40% dân số sống trên diện tích 780km2 thuộc các xã, quận, huyện sát biển. Khu nội thành được đô thị hóa trên trăm năm nằm ngay cận cửa biển Nam Triệu. Vì vậy, Hải Phòng là địa phương chịu nhiều tác động môi trường do ảnh hưởng của nước biển dâng. Xói sạt bờ biển là hiện tượng phổ biến ở ven biển Hải Phòng, kể cả ở bờ các đảo và nhiều đoạn nằm sâu phía trong và nhiều đoạn bờ nằm sâu phía trong các cửa sông. Xói lở các đoạn bờ đảo Cát Hải đã trở thành điển hình cả nước. Đời sống của một bộ phận không nhỏ của những ngư dân sống trong vùng ven biển vẫn còn gặp nhiều khó khăn, trình độ dân trí thấp, phương thức khai thác tài nguyên còn lạc hậu. Đây là một nguyên nhân dẫn đến sự suy giảm tài nguyên biển, và ảnh hưởng sâu sắc đến tình hình kinh tế, chính trị, môi trường sinh thái. Đứng trước thực tế đó, việc tìm ra sự thay đổi địa hình dải bờ biển Hải Phòng và các nguyên nhân nhằm giúp các nhà hoạch định chính sách đưa ra các biện pháp bảo vệ và sử dụng bền vững nguồn tài nguyên biển là một việc làm hết sức quan trọng và cần thiết. Nghiên cứu về tài nguyên môi trường đã được thực hiện không chỉ dựa trên các phương tiện, công nghệ truyền thống mà đã bắt đầu thực hiện bằng các hệ thống quan sát từ xa đặt trên các vệ tinh nhân tạo hoặc các thiết bị bay có người điều khiển. Công nghệ vũ trụ với các hệ thống thu thập thông tin đa phổ, đa thời gian đã cho phép chúng ta thực hiện các công việc thu thập và tổng hợp dữ liệu một cách nhanh chóng hơn, hiệu quả hơn. Việc ứng dụng các công nghệ vũ trụ đã và đang đem lại những hiệu quả to lớn trong việc gìn giữ và phát triển bền vững nguồn tài nguyên thiên nhiên 9 Ngày nay, qua thực tế và các công trình nghiên cứu, con người cũng đã nhận thấy tính không ổn định của hệ thống Trái đất với các hiện tượng như lũ lụt, hạn hán, sạt nở đất, các báo động về nguồn nước ngầm,…, do đó, để có thể đưa ra những quyết định cũng như các kế hoạch đúng đắn trong việc sử dụng hợp lý nguồn tài nguyên biển, thì ngoài các nghiên cứu chuyên đề khác, chúng ta phải đánh giá được thực trạng biến đổi dải bờ biển qua các thời kỳ. Vùng biển thành phố Hải Phòng là nơi có sự thay đổi tương đối mạnh về địa chất, đặc biệt dải bờ biển trong những năm gần đây do sự tác động mạnh của thiên nhiên và con người đã có sụ biến động. Hiện nay có nhiều phương pháp cũng như cách tiếp cận khác nhau để theo dõi, nghiên cứu sự thay đổi địa hình bờ biển. Phương pháp ứng dụng viễn thám và GIS là một trong những phương pháp hiện đại, sử dụng công cụ mạnh có khả năng giúp giải quyết những vấn đề về không gian ở tầm vĩ mô trong một thời gian ngắn và trên một diện tích rộng. Từ những quan điểm nêu trên thì việc nghiên cứu và phát triển rộng phương pháp sử dụng dữ liệu ảnh viễn thám và các dữ liệu địa lý để tìm hiểu sự thay đổi hiện trạng bờ biển và xem xét các sự thay đổi đó nhằm đưa ra những khuyến cáo phù hợp để tăng cường hơn nữa công tác quản lý dải bờ biển. Nghiên cứu, đánh giá sự thay đổi dải bờ biển qua các giai đoạn khác nhau đã có nhiều tác giả đề cập trong nhiều các công trình và đề tài nghiên cứu. Tuy nhiên việc áp dụng chúng vào những hoàn cảnh cụ thể cũng rất cần được nghiên cứu để tìm ra cách tiếp cận hợp lý cũng như đánh giá khả năng ứng dụng của chúng một cách đúng đắn. Từ các lý do như đã nêu, được sự đồng ý của khoa Công nghệ thông tin tôi tiến hành nghiên cứu đề tài: “Tích hợp GIS và ảnh viễn thám hỗ trợ quản lý vùng ven biển Hải Phòng”. 10 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ GIS VÀ VIỄN THÁM 1.1. Khái quát về Hệ thông tin địa lý GIS 1.1.1. Khái niệm Hệ thông tin địa lý Có nhiều cách hiểu cũng như định nghĩa khác nhau về GIS, song đều có điểm giống nhau như: bao hàm dữ liệu không gian, phân biệt giữa hệ thông tin quản lý và GIS. So với bản đồ thì GIS lưu trữ và biểu diễn dữ liệu hoàn toàn độc lập với nhau. GIS cung cấp khả năng quan sát trên các góc độ khác nhau với cùng một tập dữ liệu. Theo cách định nghĩa của dự án The Geographer’s Craft khoa địa lý trường đại học TEXAS : GIS là cơ sở dữ liệu (CSDL) số chuyên dụng trong đó hệ trục toạ độ không gian là phương tiện tham chiếu chính. GIS gồm các công cụ để thực hiện các công việc sau : - Nhập số liệu từ bản đồ giấy, ảnh vệ tinh, ảnh máy bay, số liệu tổng hợp từ các nguồn khác. - Lưu trữ dữ liệu, khai thác, truy vấn CSDL. - Biến đổi dữ liệu, phân tích, mô hình hoá bao gồm các dữ liệu thống kê và dữ liệu không gian. - Lập báo cáo gồm các bản đồ chuyên đề, bảng biểu, kế hoạch. Từ định nghĩa trên cho thấy 3 vấn đề cơ bản của GIS: - Thứ nhất: GIS có quan hệ với ứng dụng CSDL, toàn bộ thông tin trong GIS đều liên kết với tham chiếu không gian, CSDL GIS sử dụng phép chiếu không gian như phương tiện chính để lưu trữ và xâm nhập thông tin. - Thứ hai: GIS là công nghệ tích hợp, một hệ thống GIS đầy đủ có khả năng phân tích bao gồm phân tích ảnh vệ tinh, ảnh máy bay… hay tạo mô hình thống kê, vẽ bản đồ. - Thứ ba: GIS không chỉ đơn thuần là hệ thống phần cứng, phần mềm rời rạc mà còn sử dụng vào hỗ trợ quyết định. [...]... một cách tự động Tất nhiên quá trình xử lý số cần có sự kết hợp nhuần nhuyễn với kiến thức chuyên môn của người phân tích, hoặc người lập các chương trình tính toán 31 CHƯƠNG 2 TÍCH HỢP GIS VÀ ẢNH VIỄN THÁM TRONG QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN THIÊN NHIÊN VÀ MÔI TRƯỜNG 2.1 Thu thập ảnh viễn thám bằng TerraLook Terralook Landsat và cảm biến vệ tinh khác thu thập được hình ảnh về Trái đất từ không gian trong hơn... dữ liệu không gian và phi không gian trong GIS là cơ sở để xác định chính xác các đối tượng địa lý và thực hiện phân tích tổng hợp GIS Dữ liệu GIS quyết định khả năng hoạt động của một hệ thống GIS và được xây dựng tuỳ thuộc mục đích hoạt động của hệ thống Xây dựng một cơ sở dữ liệu GIS là một đầu tư lớn về thời gian, công sức và tiền bạc do vậy, phần dữ liệu GIS phải được quản lý khai thác một cách... phát ra được ghi lại, trong viễn thám siêu cao tần chủ động lại thu những bức xạ tán xạ hoặc phản xạ từ vật thể Hình 1.12 Phân loại viễn thám theo bước sóng 1.2.3 Nguyên lý cơ bản của viễn thám Viễn thám nghiên cứu đối tượng bằng giải đoán và tách lọc thông tin từ dữ liệu ảnh chụp hàng không, hoặc bằng việc giải đoán ảnh vệ tinh dạng số Các dữ liệu dưới dạng ảnh chụp và ảnh số được thu nhận dựa trên... dàng và chính xác Dựa trên mục tiêu xây dựng của hệ thống GIS mà lựa chọn các giải pháp đồng bộ cho phần cứng và phần mềm Phần mềm GIS cung cấp các chức năng và các công cụ cần thiết để lưu giữ, phân tích và hiển thị thông tin địa lý Các thành phần chính trong phần mềm GIS là: - Công cụ nhập và thao tác trên các thông tin địa lý - Hệ quản trị cơ sở dữ liệu (DBMS) - Công cụ hỗ trợ hỏi đáp, phân tích và. .. phân tích đường cong phổ thu được từ ảnh vệ tinh Xử lý ảnh số là kỹ nghệ làm hiển thị rõ ảnh và tách lọc thông tin từ các dữ liệu ảnh số, dựa vào các thông tin chìa khóa về phổ bức xạ phát ra Các phần mềm xử lý ảnh số được phát triển, nhằm cho ra thông tin về phổ bức xạ của các vật thể hoặc các hiện tượng xảy ra trong giới hạn diện phủ của ảnh Giải đoán, tách lọc thông tin từ dữ liệu ảnh viễn thám. .. của viễn thám Hiện nay, viễn thám được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành, nhiều lĩnh vực khác nhau và dưới đây là giới thiệu những ứng dụng chính: Nghiên cưú địa chất: Viễn thám từ lâu đã được ứng dụng để giải đoán các thông tin địa chất Dữ liệu viễn thám được dùng cho giải đoán là các ảnh máy bay, ảnh vệ tinh và ảnh radar Lĩnh vực dùng dữ liệu này có thể kể đến là địa mạo, cấu trúc địa chất, trầm tích, ... tách thành các layer để hiển thị và lưu trữ dữ liệu như hình trên 12 Hệ thống thông tin địa lý mang lại hiệu quả to lớn trong công tác lập bản đồ và phân tích các sự vật, hiện tượng thực trên trái đất Công nghệ GIS kết hợp các thao tác cơ sở dữ liệu thông thường (như cấu trúc hỏi đáp) và các phép phân tích thống kê, phân tích địa lý, trong đó phép phân tích địa lý và hình ảnh được cung cấp duy nhất từ... phương pháp xử lý ảnh số bằng máy tính trong phần lớn các trường hợp khác Các công việc phải làm là: - Làm rõ và tách sườn ảnh - Lọc nhiễu - Ghép ảnh - Phân tích các thành phần chính - Tính toán tỷ lệ và chỉ số ảnh Mục tiêu chính của xử lý ảnh bằng máy tính là phân lớp (classification) hay còn gọi là nhận dạng mẫu Phân lớp là nhóm các đối tượng vào các lớp trên cơ sở mức độ tương tự và tuân thủ một... chiếu địa lý là sản phẩm tương thích với hầu hết các ứng dụng GIS và lập bản đồ web Bộ ảnh thu được gồm ảnh Aster, Landsat 2000, Landsat 1990, Landsat 1975 với độ phân giải ảnh: - ASTER: 15 met/1 pixel - Landsat 2000: 30 met/1pixel - Landsat 1990: 30 met/pixel - Landsat 1975: 80 met/pixel Ảnh vệ tinh dải bờ biển 32 Hình 2.1: Ảnh vệ tinh Landsat năm 2000 chụp dải bờ biển Hải Phòng Hình 2.2 Ảnh vệ tinh... Hải Phòng Hình 2.2 Ảnh vệ tinh Landsat năm 1990 chụp dải bờ biển Hải Phòng 2.2 Thu thập và tiền xử lý dữ liệu bản đồ véctơ Dữ liệu GIS được thu thập, nhận diện và đo đạc vào cùng thời điểm, cùng độ phân giải không gian, tuân thủ cùng một thủ tục nhận diện và nhập vào GIS theo cùng phương pháp là lý tưởng nhất Nếu như vậy các thao tác phân 33 tích trên khối dữ liệu đó mới cho kết quả có chất lượng cao