Đề tài Nghiên cứu phương pháp thành lập một số ứng dụng của mô hình cao DEM

Nghiên u khoa họ c Header Page ofcứ113 Trung tâm Đị a_Tin họ c “NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP THÀNH LẬP VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA MÔ HÌNH SỐ ĐỘ CAO DEM” Sinh viên thực : - Nguyễn Văn Đồng Lớp: 54-TĐBĐ - Phùng Quang Nam Giáo viên hướng dẫn : Lại Tuấn Anh DANH MỤC Danh mục bảng biểu Ký hiệu Tên bảng Số trang Hình 1.1 DEM – dạng Raster Hình 1.2 Hình 1.3 Mô hình DEM dạng Raster DEM dạng Vecter Hình 3.1 Thành phần ArcGIS 14 Hình 3.2 Giao diện phần mềm ArcGIS Desktop 17 Hình4.1 Sơ đồ Voronoi 19 Hình 4.2 Một số dạng mô hình số độ cao 22 Hình 4.3 Ứng dụng TIN để biểu thị biến động độ cao địa hình 22 Hình4.4 Biểu đồ khối biểu thị biến động độ cao địa hình 26 Thuật ngữ từ ngữ viết tắt Kĩ thuậ Trắ c đị a_Bả n đồ Footer Page of t113 Nghiên u khoa họ c Header Page ofcứ113 Trung tâm Đị a_Tin họ c GIS Geographic Information System Hệ thống thông tin địa lý GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu RS Remote Sensing Viễn thám Cơ sở liệu CSDL DEM Digital Elevation Model Mô hình độ cao số DTM Digital Terrain Model Mô hình địa hình số DSM Digital Surface Model Mô hình bề mặt số A.PHẦN MỞ ĐẦU 1.Đặt vấn đề (sự cần thiết đề tài) Kĩ thuậ Trắ c đị a_Bả n đồ Footer Page of t113 Nghiên u khoa họ c Header Page ofcứ113 Trung tâm Đị a_Tin họ c Gần đây, trình phát triển kinh tế - xã hội; nghiệp công nghiệp hoá, đại hoá; tốc độ gia tăng dân số tác động thiên nhiên làm cho đất đai biến đổi số lượng chất lượng Việc thiếu đất sản xuất, đất ở, an toàn lương thực không đảm bảo trở thành vấn đề lớn toàn nhân loại nói chung Việt Nam nói riêng Nước ta, với đặc điểm địa hình, địa mạo phức tạp đa dạng loại hình thổ nhưỡng có khả sử dụng phong phú nên đất vùng đồi núi có vai trò quan trọng Tuy nhiên, việc khai thác sử dụng đất vùng đồi núi gặp phải nhiều khó khăn trở ngại địa hình bị chia cắt, trình rửa trôi dẫn đến tượng thoái hoá, suy kiệt hậu gây ảnh hưởng lớn đến vấn đề môi trường tồn hệ tương lai Do đó, ý thức tầm quan trọng nguồn tài nguyên phát triển thịnh vượng đất nước, Đảng Nhà nước ta quan tâm đến công tác quản lý bảo vệ tài nguyên, đặc biệt đất đai [1] Những quy định việc điều tra, đánh giá đất đai [2]; xây dựng, quản lý, khai thác hệ thống thông tin đất đai [3] Trước vấn đề đó, việc xây dựng DEM cần thiết DEM có nhiều ứng dụng thực tiễn, DEM thể ưu điểm vượt trội mô tổng quan chân thực bề mặt Trái Đất, ứng dụng cho nhiều mục đích nghiên cứu ngành khoa học Trái đất mang lại hiệu cao Đặc biệt phân tích địa hình - địa mạo phục vụ cho công tác nghiên cứu địa động lực, địa động lực đại xác định làm tiền đề nghiên cứu đứt gãy kiến tạo Chính mà định chọn đề tài: “Nghiên cứu phương pháp thành lập số ứng dụng mô hình số độ cao DEM” Nhằm đưa giải pháp thích hợp để quản lý bảo vệ đất, bảo vệ tài nguyên thiên nhiên cách tôt 2.Mục đích , yêu cầu đề tài - Áp dụng công nghệ GIS để thành lập đồ mô hình số độ cao Nghiên cứu số ứng dụng mô hình số độ cao 3.Phạm vi nghiên cứu Khu vực tỉnh Thái Nguyên 4.Phương pháp nghiên cứu Sử dụng phần mềm ArcGIS số liệu thu thập để tạo mô hình số độ cao B PHẦN NỘI DUNG Kĩ thuậ Trắ c đị a_Bả n đồ Footer Page of t113 Nghiên u khoa họ c Header Page ofcứ113 Trung tâm Đị a_Tin họ c Chương I: KHÁI QUÁT MÔ HÌNH SỐ ĐỘ CAO 1.1 Khái niệm mô hình số độ cao 1.1.1 Khái niệm Mô hình số hoá độ cao (DEM) thể số độ cao bề mặt đất, độ cao tầng đất, mực nước ngầm so với độ cao bề mặt đất 1.1.2 Các kiểu thể mô hình số độ cao -DEM lưu trữ khác tuỳ thuộc vào kiểu số liệu Raster hayVector a DEM dạng Raster: • Trong mô hình Raster DEM : ma trận ô vuông gồm hàng cột • Mỗi ô (cell) chứa giá trị độ cao điểm trung tâm ô Hình 1.1 DEM – dạng Raster Kĩ thuậ Trắ c đị a_Bả n đồ Footer Page of t113 Nghiên u khoa họ c Header Page ofcứ113 Trung tâm Đị a_Tin họ c Hình 1.2 Mô hình DEM dạng Raster b DEM dạng Vector : • Trong cấu trúc Vector, DEM coi lưới tam giác không – TIN • TIN tập đỉnh nối với thành tam giác, tam giác giới hạn điểm xác định giá trị x,y z (độ cao) Hình 1.3 DEM dạng Vecter Kĩ thuậ Trắ c đị a_Bả n đồ Footer Page of t113 Nghiên u khoa họ c Header Page ofcứ113 Trung tâm Đị a_Tin họ c 1.2 Phương pháp thành lập ứng dụng DEM 1.2.1 Các phương pháp thành lập DEM Hiện có nhiều phương pháp thành lập mô hình số độ cao DEM, có số phương pháp sử dụng chủ yếu như: thành lập DEM từ chụp ảnh lập thể, xây dựng DEM từ đường đồng mức, phương pháp tiên tiến phức tạp xây dựng DEM từ công nghệ giao thoa Radar (IN-SAR) 1.2.1.1 Phương pháp chụp ảnh lập thể - Dùng dụng cụ chuyên dụng chụp ảnh để thu thập liệu vùng với giá trị x, y z điểm bề mặt đất - Phương pháp đòi hỏi kỹ thuật cao việc chụp xử lý ảnh, đòi hỏi số điểm kiểm soát nhiều đòi hỏi kĩ thuật cao chụp xử lý ảnh - Các dạng DEM phổ biến : + DEM xây dựng từ vệ tinh ASTER; + DEM xây dựng từ vệ tinh SPOT - Ví dụ: ảnh hàng không ảnh viễn thám 1.2.1.2 Phương pháp đường đồng mức Bản đồ địa hình (gồm đường đồng mức) thường xây dựng từ phương pháp quan trắc địa số hóa dạng đường đồng mức.Mỗi đường đồng mức thể giá trị độ cao đồ.Và với việc sử dụng GIS ta xây dựng mô hình số độ cao DEM từ đồ địa hình dạng đường đồng mức phần mềm GIS Mapinfor hay Arcgis Bản đồ địa hình ( đường đồng mức) => Mô hình TIN => Mô hình Grid Kĩ thuậ Trắ c đị a_Bả n đồ Footer Page of t113 Nghiên u khoa họ c Header Page ofcứ113 Trung tâm Đị a_Tin họ c Mô hình TIN dạng liệu Raster thể dạng lưới tam giác không Grid: dạng liệu Raster mô tả bề mặt mang giá trị liên tục Giá trị ô lưới (cell) giá trị bề mặt 1.2.1.3 Phương pháp giao thoa Radar Là khu vực hai ảnh SAR giống việc xử lý, đình công hai ảnh SAR liệu thông qua giai đoạn khác nhau, có hình ảnh giao thoa, sau sau giai đoạn unwrapping, để có từ rìa không gian địa hình liệu độ cao cho công nghệ quan sát trái đất 1.2.2 Một số ứng dụng DEM DEM liệu đầu vào trình liên quan đến độ cao DEM sử dụng cho nhiều mục đích ứng dụng sau: - Tính toán độ dốc Tính hướng dốc Tính toán khối lượng đào đắp Vẽ mặt cắt địa hình Tính độ dài sườn dốc Phân tích địa mạo khu vực Xác định lưu vực Kĩ thuậ Trắ c đị a_Bả n đồ Footer Page of t113 Nghiên u khoa họ c Header Page ofcứ113 Trung tâm Đị a_Tin họ c CHƯƠNG KHÁI QUÁT VỀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU 2.1 Vị trí địa lý Tỉnh Thái Nguyên có tọa độ : 21°33′51″B 105°52′46″Đ hay 21,564225°B 105,879364°Đ Phía Bắc tiếp giáp với Tỉnh Bắc Kạn, phía tây giáp với Tỉnh Vĩnh Phúc Tỉnh Tuyên Quang, phía đông giáp với Tỉnh Lạng Sơn Bắc Giang phía nam tiếp giáp với Thủ đô Hà Nội Với vị trí địa lý trung tâm trị, kinh tế khu Việt Bắc nói riêng, vùng trung du miền núi đông bắc nói chung, Thái Nguyên cửa ngõ giao lưu kinh tế xã hội vùng trung du miền núi với vùng đồng Bắc Cùng với vị trí trung tâm Việt Bắc, Thái Nguyên nơi hội tụ văn hóa dân tộc miền núi phía Bắc, đầu mối hoạt động văn hóa, giáo dục vùng núi phía Bắc rộng lớn 2.2 Đặc điểm địa hình Thái Nguyên có nhiều dãy núi cao chạy theo hướng Bắc Nam thấp dần xuống phía Nam Cấu trúc vùng núi phía Bắc chủ yếu đa phong hóa mạnh, tạo thành nhiều hang động thung lũng nhỏ Phía Tây Nam có dãy Tam Đảo với đỉnh cao 1.590m, vách núi dựng đứng kéo dài theo hướng Tây Bắc - Đông Nam Ngoài dãy núi có dãy Ngân sơn Bắc Kạn chạy theo hướng Đông Bắc, Tây Nam đến Võ Nhai dãy núi Bắc Sơn chạy theo hướng Tây Bắc, Đông Nam Cả ba dãy núi Tam Đảo, Ngân Sơn, Bắc Sơn dãy núi cao che chắn gió mùa đông bắc Thái Nguyên tỉnh trung du miền núi địa hình lại không phức tạp so với tỉnh trung du, miền núi khác, thuận lợi Thái Nguyên cho canh tác nông lâm nghiệp phát triển kinh tế xã hội nói chung so với tỉnh trung du miền núi khác 2.3 Đặc điểm khí hậu Khí hậu Thái Nguyên vào mùa đông chia thành vùng rõ rệt: - Vùng lạnh nhiều nằm phía bắc huyện Võ Nhai - Vùng lạnh vừa gồm huyện Định Hóa, Phú Lương phía Nam Võ Nhai - Vùng ấm gồm huyện: Đại Từ, Thành phố Thái Nguyên, Đồng Hỷ, Phú Bình, Phổ Yên Thị xã Sông Công Nhiệt độ chênh lệch tháng nóng (tháng 6: 28,90) với tháng lạnh (tháng 1: 15,20) 13,70 Tổng số nắng năm dao động từ 1.300 đến 1.750 phân phối tương đối cho tháng năm Khí hậu Thái Nguyên chia làm mùa rõ rệt, mùa mưa từ tháng đến tháng 10 mùa khô từ tháng 10 đến tháng Lượng mưa trung bình hàng năm khoảng 2.000 đến 2.500mm; cao vào tháng thấp vào tháng Nhìn chung khí hậu tỉnh Thái Nguyên thuận lợi cho phát triển ngành nông, lâm nghiệp 2.4 Tình hình kinh tế - xã hội Tình hình kinh tế - xã hội tỉnh năm gần có nhiều thuận lợi hoạt động sản xuất kinh doanh, số ngành nghề trọng điểm có tăng lực sản xuất; thành phần kinh tế có tăng trưởng, kinh tế quốc doanh khẳng định vị trí kinh tế nhiều thành phần song phải đối mặt với nhiều khó khăn, thách thức như: thiên tai, dịch bệnh gia súc; giá đầu vào hầu hết ngành sản xuất Kĩ thuậ Trắ c đị a_Bả n đồ Footer Page of t113 Nghiên u khoa họ c Header Page ofcứ113 Trung tâm Đị a_Tin họ c tăng làm cho chi phí sản xuất tăng cao đẩy giá thành sản phẩm tăng lên, ảnh hưởng không nhỏ tới sức cạnh tranh; kết cấu sở hạ tầng, kết cấu hạ tầng khu vực nông thôn miền núi cải thiện thiếu xuống cấp; lĩnh vực xã hội nhiều xúc, tai nạn giao thông có nhiều biện pháp nhằm kiềm chế chưa có xu hướng giảm Song với đạo tâm nỗ lực cố gắng cấp, ngành nhân dân toàn tỉnh nên tình hình kinh tế xã hội thu kết đáng kể, kinh tế tiếp tục phát triển theo chiều hướng tích cực Đánh giá chung, tình hình kinh tế - xã hội địa bàn tỉnh năm gần đây, gặp nhiều khó khăn song kinh tế - xã hội tỉnh tiếp tục phát triển theo hướng tích cực, tiêu kinh tế - xã hội chủ yếu tỉnh hoàn thành so với kế hoạch tăng so với kỳ Một số lĩnh vực xã hội có cải thiện đáng kể Kĩ thuậ Trắ c đị a_Bả n đồ Footer Page of t113 Nghiên u113 khoa họ c Header Page 10 of Trung tâm Đị a_Tin họ c CHƯƠNG THU THẬP DỮ LIỆU 3.1 Dữ liệu DEM - Hiện nguồn liệu mô hình số độ cao đăng tải phổ biến rộng rãi từ nhiều nguồn cung cấp khác internet, nguồn DEM miễn phí dùng cho mục đích nghiên cứu địa chất, khí tượng thủy văn…thường có độ phân giải từ 30m đến 1km Nguồn liệu DEM toàn cầu phổ biến nguồn liệu vệ tinh có cảm ASTER GDEM cung cấp phạm vi toàn cầu Các liệu DEM cung cấp loại bỏ sai số nội suy vùng thiếu số liệu cung cấp rộng rãi khắp giới cho nhà nghiên cứu Trái Đất giới sử dụng Nguồn liệu mô hình số độ cao ASTER GDEM có độ phân giải 30m tải hai trang web thức trang web trung tâm phân tích liệu từ xa Trái Đất (ERSDAS) Nhật Bản có đường link: http://gdem.ersdas.jspacesystems.or.jp/search.jsp Và trang web Cục khảo sát địa chất Hoa Kỳ (USGS): http://gdex.cr.usgs.gov/gdex/ Mục ASTER Global DEM mục ASTER Global DEM V2 phần map layer - Số hóa đường đồng đồng mức từ đồ địa hình thực thao tác xử lý chuyển sang dạng raster (DEM) 3.2 Khái niệm hệ thống thông tin địa lý (GIS) phần mềm ArcGIS [4] Hiện có nhiều công cụ GIS ứng dụng để xử lý liệu DEM ArcGIS, Global Mapper… Tuy nhiên đề tài sử dụng phần mềm ArcGIS 10.1 3.2.1 Khái niệm hệ thống thông tin địa lý(GIS) 3.2.1.1 Định nghĩa GIS hệ thống thông tin địa lý bao gồm phần mềm, phần cứng máy tính sở liệu đủ lớn, có chức thu thập, cập nhật, quản trị phân tích, biểu diễn liệu địa lý phục vụ giải rộng lớn toán ứng dụng có liên quan tới vị trí địa lý bề mặt Trái Đất 3.2.1.2 Chức GIS a Nhập biến đổi liệu địa lý Đây trình chuyển đổi dạng liệu từ đồ giấy, tài liệu văn khác liệu dạng số sang liệu số định dạng phù hợp, sử dụng sở liệu GIS (CSDL GIS) thiết kế Sau nhập số liệu đồ vào máy tính, bước tiền xử lý cho phép hoàn thiện liệu đồ máy tính với nội dung: - Chuyển đổi khuôn dạng, cấu trúc liệu đồ… - Biên tập, làm liệu xây dựng cấu trúc topo (quan hệ không gian) - Gắn thuộc tính cho đối tượng đồ, liên kết liệu không gian liệu thuộc tính Kĩ thuậ c đị a_Bả n đồ Footer Page 10 oft Trắ 113 10 Nghiên u113 khoa họ c Header Page 11 of Trung tâm Đị a_Tin họ c - Hoàn thiện lớp thông tin, tích hợp liệu trình bày đồ - Chuyển đổi hệ quy chiếu (hệ tọa độ) cần Ngoài ra, người dùng truy nhập vào CSDL GIS có để cập nhật, bố sung liệu theo quy trình trình bày b Quản lý liệu Trong CSDL GIS, liệu xếp theo lớp (layers), theo nhóm chủ đề, theo không gian (vị trí), theo thời gian lưu trữ thư mục cách hệ thống Chức quản lý liệu GIS thể qua nội dung sau: - Lưu trữ liệu CSDL GIS thiết bị lưu trữ - Khôi phục liệu từ CSDL - Tổ chức liệu theo liệu, dạng cấu trúc liệu thích hợp thường xuyên bảo trì liệu c Hiển thị liệu Với liệu quản lý CSDL GIS, người dùng hiển thị lớp nhóm liệu, chí phần liệu dạng đồ, biểu đồ bảng liệu d Truy vấn tìm kiếm Theo cấu trúc CSDL, người dùng tìm kiếm đối tượng không gian thuộc tính thỏa mãn điều kiện cho trước cách dễ dàng xác CSDL GIS Các truy vấn bao gồm truy vấn tương tác, truy vấn thuộc tính truy vấn không gian e Xử lý phân tích liệu Phần mềm GIS cho phép xử lý máy tính nhiều phép phân tích đồ số liệu cách nhanh chóng, xác, phục vụ cho yêu cầu công tác xây dựng đồ, phân tích quy hoạch lãnh thổ, quản lý đô thị quản lý tài nguyên môt trường Đồng thời phần mềm GIS thực phép biến đổi đồ bản, chồng xếp đồ, xử lý liệu không gian theo mô hình Các kỹ thuật phân tích xử lý bao gồm: - Các phép đo, tính diện tích, chiều dài, thống kê diện tích tự động theo loại biểu thiết kế - Các phép phân tích theo vùng lựa chọn, thống kê vùng biên, phân loại, phân lớp cho đồ - Các phép nội suy đường đẳng trị (đường đồng mức), phân tích địa hình bề mặt (độ dốc, hướng dốc, bóng địa hình, phân tích thủy hệ), mô không gian, mô tả hướng nhìn - Chồng xếp đồ theo tiêu chuẩn mô hình tính toán để tạo đồ chuyên đề Đưa mô hình liệu hỗ trợ cho việc định toán quy hoạch, phân vùng, dự báo khuynh hướng phát triển g Xuất liệu trình bày kết Kĩ thuậ c đị a_Bả n đồ Footer Page 11 oft Trắ 113 11 Nghiên u113 khoa họ c Header Page 12 of Trung tâm Đị a_Tin họ c Kết phân tích từ số liệu trình bày dạng bảng biểu, biểu đồ, đồ xuất theo dạng khác in giấy, lưu đĩa CD, thiết bị lưu trữ khác với chất lượng, độ xác khả tiện dụng cao 3.2.2 Giới thiệu phần mềm ArcGIS Phần mềm ArcGIS phần mềm ứng dụng công nghệ hệ thông tin địa lý Viện nghiên cứu hệ thống môi trường (ESRI) Mỹ Bộ phần mềm ArcGIS ESRI có khả khai thác hết chức GIS ứng dụng khác như: Desktop, máy chủ, hệ thống thiết bị di động Phần mềm ArcGIS cung cấp công cụ mạnh để quản lý cập nhật, phân tích thông tin tạo nên hệ thống thông tin địa lý hoàn chỉnh 3.2.2.1 ArcGIS cho phép - Tạo chỉnh sửa liệu tích hợp (dữ liệu không gian với liệu thuộc tính) - Truy vấn liệu không gian liệu thuộc tính từ nhiều nguồn nhiều cách khác - Hiển thị, truy vấn phân tích liệu không gian kết hợp với liệu thuộc tính - Thành lập đồ chuyên đề in có chất lượng trình bày chuyên nghiệp 3.2.2.2 Thành phần ArcGIS Hình 3.1 Thành phần ArcGIS Kĩ thuậ c đị a_Bả n đồ Footer Page 12 oft Trắ 113 12 Nghiên u113 khoa họ c Header Page 13 of Trung tâm Đị a_Tin họ c 3.2.2.3 ArcGIS làm gì? Đọc tạo liệu ArcGIS từ phần mềm khác như: MapInfo, MicroStation, AutoCAD, MS Access, dBASE file, MS Excel… Nội suy, phân tích không gian Có thể phối hợp kỹ thuật phân tích phức tạp với để tạo mô hình chi tiết Tạo đồ với chất lượng cao có khả kết nối nhanh với nhiều loại liệu khác như: biểu đồ, bảng thuộc tính, ảnh dạng file khác Chồng xếp lớp lớp liệu để tạo lớp liệu Có nhiều phương pháp hồng xếp liệu (intersect, merge, union, dissolve, clip…) nhìn chung kết hợp hai lớp liệu có sẵn thành lớp liệu 3.2.2.4 Cấu trúc tổ chức liệu ArcGIS ArcGIS tổ chức lưu trữ thông tin dạng lớp liệu không gian Mỗi lớp liệu bao gồm trường thuộc tính giống Dữ liệu ArcGIS chia thành dạng: a Mô hình liệu Vector Mô tả đối tượng không gian dạng lớp liệu: điểm (point), đường (polyline) vùng (polygon) - Điểm: xác định cặp tọa độ (x,y) hay (x,y,z) với z giá trị độ cao Điểm đối tượng vô hướng, kích thước (độ dài hay diện tích) - Đường: xác định tập hợp cặp tọa độ (các điểm) Đường đối tượng có hướng có kích thước (độ dài) Các đối tượng đường ArcGIS có quan hệ topo (quan hệ hình học) Trong hai điểm đầu cuối đường gọi node, điểm nằm hai node xác định hình dạng đường gọi vertex - Vùng: xác định tập hợp tọa độ khai báo cho đường bao vùng Vùng đo diện tích Một đối tượng không gian thể dạng điểm vùng tùy thuộc vào tỷ lệ đồ ArcGIS sử dụng mô hình vector để biểu diễn liệu là: coverage, shapefile geodatabase, đồng thời lưu liệu lớp đối tượng (feature classes) dạng không gian thuộc tính (bảng liệu) b.Mô hình liệu Raster Mô hình liệu raster biểu diễn đối tượng không gian tập hợp ô lưới hình vuông có kích thước định gọi cell hay pixel (picture element) Vị trí đối tượng Kĩ thuậ c đị a_Bả n đồ Footer Page 13 oft Trắ 113 13 Nghiên u113 khoa họ c Header Page 14 of Trung tâm Đị a_Tin họ c xác định vị trí ô vuông theo thứ tự hàng cột Mỗi ô ảnh chứa thông tin giá trị thuộc tính đối tượng, độ cao, nhiệt độ, giá trị phổ… Mô hình liệu raster thường dùng để mô tả bề mặt liên tục không gian Dữ liệu raster bao gồm loại ảnh – image (ảnh hàng không, ảnh vệ tinh, ảnh quét dùng để số hóa) grid (dùng để phân tích lập mô hình) c.Mô hình liệu TIN (Triangular Irregular Networks) Mô hình liệu TIN mô tả đối tượng bề mặt dạng mạng lưới tam giác không Mạng lưới tam giác không xây dựng từ tập hợp điểm (vertices/points) nối với cạnh (edges) Mô hình TIN thích hợp để mô tả bề mặt có diện tích nhỏ yêu cầu độ xác cao lĩnh vực kỹ thuật d Dữ liệu dạng bảng ArcGIS cho phép kết nối trực tiếp với liệu dạng bảng kết nối liệu không gian với liệu bảng biểu (thuộc tính) 3.2.2.5 Giao diện ArcGIS a Phần mềm ArcGIS Desktop Phần mềm ArcGIS Desktop bao gồm cấp bậc với mức độ chuyên sau khác là: ArcView, ArcEditor, ArcInfo - Arcview Cung cấp đầy đủ chức cho phép hiển thị, quản lý, xây dựng phân tích liệu địa lý, công cụ phân tích không gian với việc biên tập phân tích thông tin từ lớp đồ khác nhau, đồng thời thể mối quan hệ nhận dạng mô hình - ArcEditor Cung cấp chức dùng để chỉnh sửa quản lý liệu địa lý ArcEditor bao gồm tính Arcview thêm vào số công cụ chỉnh sửa, biên tập - Arcinfo Là sản phẩm phần mềm GIS đầy đủ Arcinfo bao gồm tất chức Arcview lẫn ArcEditor Cung cấp chức tạo quản lý hệ GIS, xử lý liệu không gian khả chuyển đổi liệu, xây dựng liệu, mô hình hóa, phân tích, hiển thị đồ hình máy tính xuất bản đồ phương tiện khác b Giao diện phần mềm ArcGIS Desktop Phần mềm ArcGIS Desktop cho phép người dùng truy cập đồng thời vào ba ứng dụng ArcMap, ArcCatalog, ArcToolbox Kĩ thuậ c đị a_Bả n đồ Footer Page 14 oft Trắ 113 14 Nghiên u113 khoa họ c Header Page 15 of Trung tâm Đị a_Tin họ c Hình 3.2 Giao diện phần mềm ArcGIS Desktop  ArcMap Dùng để xây dựng, hiển thị, xử lý phân tích đồ như: - Tạo đồ từ nhiều loại liệu khác - Truy vấn liệu không gian để tìm kiếm hiểu mối liên hệ đối tượng không gian - Tạo biểu đồ - Hiển thị trang in ấn  ArcCatalog Dùng để lưu trữ, quản lý tạo liệu địa lý như: - Tạo sở liệu - Khai thác tìm kiếm liệu - Xác định hệ thống tọa độ cho sở liệu  ArcToolbox Cung cấp công cụ xử lý không gian, phân tích GIS, xuất – nhập liệu từ định dạng khác MapInfor, MicroStation, AutoCAD… Kĩ thuậ c đị a_Bả n đồ Footer Page 15 oft Trắ 113 15 Nghiên u113 khoa họ c Header Page 16 of Trung tâm Đị a_Tin họ c CHƯƠNG PHÂN TÍCH DỮ LIỆU 4.1 Phương pháp thành lập DEM 4.1.1 Từ đường đồng mức Đây phương pháp tiêu chuẩn để xây dựng DEM môi trường GIS Đối với khu vực, số thông tin địa hình có sẵn, việc xây dựng DEM từ đường đồng mức phải qua số bước sau:  Bước 1: Số hóa đường đồng mức, thực qua cách sau: Số hóa tự động quét ảnh (scanning): chuyển thông tin từ ảnh chụp hay đồ sang dạng tệp in raster Để có kết tốt, đồ đường đồng mức không nên kèm thông tin khác Sau đồ chuyển sang dạng vector phần mềm chuyên dụng đường đồng mức phải gán mã tay Nếu ảnh nguồn không rõ ràng phương pháp tốn công việc số hóa bàn số hóa (digitizing) Số hóa thủ công: Dùng bàn số hoá để số hóa đường đồng mức coi phương pháp tiêu chuẩn để xây dựng DEM Mỗi đường đồng mức số hóa riêng lẻ gán mã thể độ cao tương ứng  Bước 2: Raster hóa đường đồng mức: thực chức rasterizing phần mềm chuyên dụng Vấn đề quan trọng việc chọn kích thước pixel mà đường đồng mức chạy qua tự động gán giá trị độ cao đường đồng mức  Bước 3: Nội suy đường đồng mức raster hóa: Từ đường bình độ chuẩn raster hóa nội suy đường đồng mức khác, pixel đồ nhận giá trị cho điểm trung tâm pixel Bước 4: Xây dựng mô hình TIN (hình 4.1), thường thực với sơ đồ Voronoi Sơ đồ Voronoi: Giả sử mạng điện thoại thành phố, máy điện thoại nối với cột điện thoại gần ta phải chia thành phố thành nhiều vùng, vùng có cột khoảng cách từ vị trí vùng đến cột vùng ngắn Kết phân hoạch sơ đồ Voronoi Sơ đồ Voronoi tóm tắt sau Gọi P = {p1, p2 ,pn} tập hợp n điểm nằm mặt phẳng hai chiều Ta chia (phân hoạch), mặt phẳng thành n đa giác cho điểm vị trí nằm đa giác i có khoảng cách đến điểm i ngắn khoảng cách từ đến điểm vị trí pk khác Sơ đồ đa giác gọi sơ đồ Voronoi V (pi) biểu diễn ngôn ngữ toán học sau: Kĩ thuậ c đị a_Bả n đồ Footer Page 16 oft Trắ 113 16 Nghiên u113 khoa họ c Header Page 17 of Trung tâm Đị a_Tin họ c Hình4.1: Sơ đồ Voronoi Sơ đồ Voronoi có nhiều ứng dụng hình học giải tích, hình học đồ họa GIS:  Xác định vùng lân cận gần (Nearest neighbor search) – Khi phải xác định vùng lân cận gần điểm (vị trí) cho trước tổng số N điểm vùng đa giác bao quanh điểm sơ đồ Voronoi  Xác định vị trí phục vụ hợp lý (facility location) – Ví dụ mạng lưới cửa hàng siêu thị muốn lập cửa hàng điều xác định vị trí thích hợp Vị trí phải thỏa mãn yêu cầu ảnh hưởng đến lượng khách hàng siêu thị vận hành hay nói cách khác xa siêu thị có tốt Người ta sử dụng sơ đồ Voronoi cách so sánh phân tích tất cạnh thẳng sơ đồ vị trí siêu thị có  Hình tròn rỗng lớn (largest empty circle) – Ví dụ ta cần tìm vùng đất lớn chưa phát triển (dân cư dịch vụ công cộng) để xây nhà máy Điều kiện mảnh đất phải cách ly tối đa điểm dân cư hay công cộng Đây toán tương tự trường hợp xác định vị trí hợp lý  Quy hoạch đường (path lanning) – Khi điểm vị trí sơ đồ trở ngại bất thuận lợi cho giao thông mà đường cần tránh xa cạnh đa giác sơ đồ Voronoi đoạn đường bảo đảm tránh xa trở ngại Trong GIS, sơ đồ Voronoi áp dụng để hình thành chức biến đổi đối tượng raster sang vector nhờ kỹ thuật xây dựng mô hình TIN 4.1.2 Tải DEM từ nguồn liệu mở Hướng dẫn tải mô hình số độ cao (Digital Elevation Model- DEM) miễn phí độ phân giải không gian 30m, 90m trang web: http://gdex.cr.usgs.gov/gdex/ https://lpdaac.usgs.gov/ 4.1.3 Hiển thị DEM Kĩ thuậ c đị a_Bả n đồ Footer Page 17 oft Trắ 113 17 Nghiên u113 khoa họ c Header Page 18 of Trung tâm Đị a_Tin họ c Sự biến đổi giá trị độ cao địa hình vùng đất mô hình hóa theo nhiều cách DEM biểu thị lưu trữ dạng hàm số toán học ba chiều (phương trình mặt phẳng) hay dạng điểm đường hình ảnh liệt kê bảng dưới: Bảng 1.1 Phương pháp biểu thị mặt cong địa hình Phương pháp toán học Toàn vùng Dãy Fourier Đa thức bậc bốn bội Chi tiết Chia vùng đồng Chia vùng không đồng Phương pháp vật thể đồ Đường đồng mức (đường bình độ ngang) Đường mặt cắt dọc Điểm (ma trân độ cao) hay mạng lưới (Regular rectangular grid, GRID) Vector: Mạng không tam giác (Triangualr irregualar network, TIN) 4.1.3.1 Phương pháp toán học: Phương pháp toán học để biểu thị mặt cong địa hình chủ yếu dựa vào hàm số toán ba chiều có khả mô với độ nhẵn cao mặt địa hình phức tạp Phương pháp cục chia vùng mô thành miếng bé hình vuông hình dạng tùy ý có diện tích tương tự độ cao miếng ước lượng dựa độ cao điểm quang trắc miếng Với mục đích bảo đảm liên tục độ dốc qua đường biên miếng người ta sử dụng hàm số đối trọng (weighting functions) Các hàm số xấp xỉ rời rạc (piecewwise approximation) sử dụng việc thành lập đồ số lại phổ biến hệ thống máy tính hỗ trợ thiết kế (CAD, computer added design) 4.1.3.2 Phương pháp vật thể đồ: Phương pháp sử dụng vật thể đường truyền thống đồ học để biểu diễn bề mặt địa hình sử dụng đường bình độ hay gọi đường đồng mức Mọi điểm nằm đường đồng mức có giá trị độ cao Phương pháp sử dụng mặt cắt dọc để biểu diễn độ cao sử dụng thuận tiện để phân tích độ dốc vùng nghiên cứu Tuy nhiên, đề cập trên, hai phương pháp sử dụng đường không thuận tiện cho mục đích phân tích liệu GIS Vì phương pháp chung hệ GIS sử dụng mô hình lưới GRID (Regular Rectangular Grid) hay lưới tam giác không TIN (Triangular Irregular Network) Kĩ thuậ c đị a_Bả n đồ Footer Page 18 oft Trắ 113 18 Nghiên u113 khoa họ c Header Page 19 of Trung tâm Đị a_Tin họ c Mô hình lưới đồng hay gọi ma trận độ cao thành lập từ việc phân tích lập thể ảnh hàng không thông qua việc nội suy từ lưới liệu quan trắc độ cao Do máy tính có khả xử lý ma trận dễ dàng nên liệu loại mô hình GRID phổ biến, sử dụng cho hệ GIS dạng raster Trong mô hình raster GRID vùng địa hình chia thành ô (cell) sở hàng cột Mỗi ô chứa độ cao điểm trung tâm ô Ma trận độ cao sử dụng để thành lập đường đồng mức, tính toán độ dốc, hướng dốc xác định đường biên lưu vực sông Tuy vậy, phương pháp lưới đồng có nhược điểm sau: - Tồn số lượng liệu không cần thiết vùng có địa hình đồng nhất; -Không có khả thích ứng để biểu thị vùng có địa hình phức tạp trừ lúc thay đổi toàn kích thước ma trận Như vậy, lưới đồng khả biểu thị vùng địa hình thay đổi đột ngột khe vực, hố lồi lõm sông ngòi Hạn chế gây nhầm lẫn đánh giá kết phân tích địa hình TIN coi phương pháp thuận tiện kinh tế Mô hình TIN thể vector cấu trúc địa hình, bao gồm dãy tam giác không không phủ lên bao trùm toàn bề mặt địa hình, tam giác xác định mặt phẳng TIN, theo khái niệm hình học tập đỉnh nối với thành tam giác Mỗi tam giác giới hạn điểm đặc trưng giá trị X, Y Z (độ cao) Các tam giác hình thành bề mặt phía, có độ dốc hướng dốc TIN có khả biểu diễn bề mặt liên tục từ tập điểm liệu rời rạc coi tập hợp tam giác có thuộc tính độ dốc, diện tích hướng Hình 4.2 thể cấu trúc mô hình TIN hình 4.3 trình bày mô hình TIN thực tế thường phải thể thay đổi kích thước lưới theo yêu cầu biến đổi liệu Hình IV.11 ví dụ áp dụng TIN kỹ thuật tô bóng để thể độ cao địa hình khu vực Hình 4.2 Một số dạng mô hình số độ cao Kĩ thuậ c đị a_Bả n đồ Footer Page 19 oft Trắ 113 19 Nghiên u113 khoa họ c Header Page 20 of Trung tâm Đị a_Tin họ c Hình 4.3 Ứng dụng TIN để biểu thị biến động độ cao địa hình 4.2 Ứng dụng DEM Trước mô hình độ cao DEM xuất người ta sử dụng nhiều kỹ thuật để đánh giá độ dốc độ lồi lõm địa hình Với DEM công việc trở nên nhanh chóng thuận tiện, không cần nhiều công sức trước Sau liệu độ cao địa hình chỉnh lý thể mô hình TIN ta sử dụng nhiều công cụ phần mềm TIN để tính toán độ dốc, hướng dốc độ lồi lõm vùng nghiên cứu Sau công thức tính toán chủ yếu 4.2.1 Tính toán độ dốc Trong nghiên cứu tai biến trượt lở đất, nghiên cứu xói mòn thiếu việc tính đến thông số độ dốc khu vực nghiên cứu để thành lập đồ độ dốc từ khoanh vùng vùng có độ dốc lớn có nguy trượt lở hay xói mòn cao vùng có độ dốc nhỏ Đây thông tin tiêu đánh giá giúp nhà nghiên cứu thiên tai hay xói mòn đất khoanh vi khu vực có tiềm đưa cảnh báo biện pháp xử lý Nguyên lý tính độ dốc DEM: -độ dốc : góc α - độ dốc (%) = tan (α) = h a Độ dốc Pixel S= /2 Nếu s ≤ độ dốc % = S x 100 Nếu s > độ dốc % = 200 – 100/S độ dốc theo độ = tan-1 (s) x 180 / π Ví dụ : Kĩ thuậ c đị a_Bả n đồ Footer Page 20 oft Trắ 113 20 Nghiên u113 khoa họ c Header Page 21 of ∆x1 = 25 – 10 = 15 ∆x2 = 25 – 22 = ∆x3 = 18 – 20 = -2 Δx = = 0.177 Trung tâm Đị a_Tin họ c ∆y1 = 10 – 20 = -10 ∆y2 = 20 – 24 = -4 ∆y3 = 25 – 18 = Δy = = -0.076 10 20 25 22 30 25 20 24 18 Vì s ≤ độ dốc (%) = 0,0967 x 100 = 9,67 % độ dốc (độ) = tan-1 (s) x 180/ π = tan-1(0,0967) x 57,30 = 5,540 4.2.2 Tính hướng dốc Đi với tính toán độ dốc việc tính toán hướng dốc điều thiếu đánh giá tai biến địa chất Biết hướng dốc giúp ta phân tích nguy trượt lở theo phương đồ từ đưa phán đoán phân tích xác việc phòng tránh tai biến trượt lở đất đá - Công thức tính hướng dốc Φ= ( ) Ví dụ : Δx = Δy = = -2.33 10 20 25 22 30 25 20 24 18 Như hướng dốc 180 + θ (theo độ) Theo ví dụ thì: θ = tan -1 (5,33/ -2,33) = 1,98 1,98 radian = 113,6 Vậy hướng dốc = 180 + 113,6 = 293,60 4.2.3 Phân chia lưu vực Lưu vực phần diện tích bề mặt đất tự nhiên mà lượng nước mưa rơi xuống tập trung lại thoát qua cửa Trên thực tế, lưu vực thường đề cập đến lưu vực sông toàn lượng nước sông thoát cửa sông Việc xác định phân chia lưu vực công việc quan trọng liệu đầu vào thiếu mô hình thủy văn Kĩ thuậ c đị a_Bả n đồ Footer Page 21 oft Trắ 113 21 Nghiên u113 khoa họ c Header Page 22 of Trung tâm Đị a_Tin họ c 4.2.4 Thành lập đồ bóng địa hình Các nhà vẽ đồ tạo nhiều phương pháp để cải tiến việc thể trực quan đồ, dạng địa hình vùng đồi núi Một kỹ thuật thành công cách tô bóng địa hình tạo chủ yếu trường phái nghệ nhân đồ Thụy Sĩ Áo Kỹ thuật có nguồn gốc thể loại nghệ thuật hội họa thời phục hưng, với việc đánh bóng thể ánh sáng để thể hình ba chiều Phương pháp thủ công dùng bút vẽ để đánh bóng thường tạo hình ảnh ấn tượng có giá thành cao chủ yếu phụ thuộc vào kỹ trí tưởng tượng nghệ sĩ Người ta cho nghệ nhân đồ phải người sinh sống vùng núi Từ xuất đồ số, nhiều chuyên gia đồ nghĩ đến khả tạo bóng cho đồ địa hình cách tự động, xác dễ lặp lại Nguyên tắc phương pháp tạo bóng cho địa hình hình dung hình ảnh địa hình chiếu sáng từ vị trí định Kết tương tự ảnh hàng không việc sử dụng gam màu sáng tối khác Tuy đồ số địa hình có nhiều điểm khác biệt so với ảnh hàng không Trước hết đồ tô bóng không biểu thị hình ảnh mặt đất mà bề mặt số hóa mặt đất Thứ hai nguồn ánh sáng tưởng tượng đồ tô bóng thường chọn góc lớn 45o phía đường chân trời phía Tây – bắc Góc chiếu sáng có tính chất nhân tạo mà khó có khả xẩy thực tế thiên văn Điểm khác biệt thứ ba nằm chất mô hình độ cao DEM mô hình đơn giản hóa số lượng hạn chế số điểm liệu thể hết tất chi tiết địa hình thực tế 4.2.5 Bản đồ đường đồng mức Các đường đồng mức dễ dàng thành lập cách phân loại giá trị độ cao ô (cell) theo thang độ độ cao định sau thể loại độ cao đường phân giới hay thể màu sắc Bản đồ đường đồng mức thường tạo cách cắt giao tiếp mô hình DEM địa hình với mặt phẳng ngang theo phân loại độ cao địa hình C.KẾT LUẬN VÀ KIỂN NGHỊ 1.Kết luận Kĩ thuậ c đị a_Bả n đồ Footer Page 22 oft Trắ 113 22 Nghiên u113 khoa họ c Header Page 23 of Trung tâm Đị a_Tin họ c Đề tài hoàn thành mục đích – yêu cầu đề ra, thành lập đồ DEM cho khu vực Thái Nguyên với độ phân giải 30m 90m Ứng dụng công nghệ GIS để thành lập đồ mô hình số độ cao cho khu vực Thái Nguyên có ý nghĩa ứng dụng cao góp phần cho nhà nghiên cứu giải đoán cấu trúc kiến tạo – địa mạo, tạo mô hình để mô địa hình, tạo lớp liệu liên quan đến địa hình, thủy văn Sản phẩm đề tài khoa học có độ xác cao hoàn toàn mang ứng dụng thực không cho tỉnh Thái Nguyên mà áp dụng cho tất vùng khác 2.Kiến nghị Do thời gian nghiên cứu kiến thức hạn chế nên đưa số ứng dụng, thời gian tới tiếp tục nghiên cứu sâu ứng dụng DEM nhằm giải toán liên quan đến DEM 3.Tài liệu tham khảo(Chú thích) Kĩ thuậ c đị a_Bả n đồ Footer Page 23 oft Trắ 113 23 Nghiên u113 khoa họ c Header Page 24 of Trung tâm Đị a_Tin họ c [1]- Nghị số 24-NQ/TW, ngày 03-6-2013, Ban Chấp hành Trung ương khóa XI Chủ động ứng phó với biến đổi khí hậu, tăng cường quản lý tài nguyên bảo vệ môi trường định hướng toàn diện công tác quản lý tài nguyên đến năm 2020 tầm nhìn đến năm 2050 [2]- Số 35/2014/TT-BTNMT _Ngày 30/06/2014_Thông tư Quy định việc điều tra, đánh giá đất [3]- Số 34/2014/TT-BTNMT_Ngày 30/06/2014_ Thông tư Quy định xây dựng, quản lý, khai thác hệ thống thông tin đất đai [4] Lại Tuấn Anh, Hoàng Xuân Thành Tài liệu hướng dẫn thực hành hệ thống thông tin địa lý sử dụng phần mềm ArcGIS 10.1 Kĩ thuậ c đị a_Bả n đồ Footer Page 24 oft Trắ 113 24 ... c 1.2 Phương pháp thành lập ứng dụng DEM 1.2.1 Các phương pháp thành lập DEM Hiện có nhiều phương pháp thành lập mô hình số độ cao DEM, có số phương pháp sử dụng chủ yếu như: thành lập DEM từ... nghệ GIS để thành lập đồ mô hình số độ cao Nghiên cứu số ứng dụng mô hình số độ cao 3.Phạm vi nghiên cứu Khu vực tỉnh Thái Nguyên 4 .Phương pháp nghiên cứu Sử dụng phần mềm ArcGIS số liệu thu... niệm mô hình số độ cao 1.1.1 Khái niệm Mô hình số hoá độ cao (DEM) thể số độ cao bề mặt đất, độ cao tầng đất, mực nước ngầm so với độ cao bề mặt đất 1.1.2 Các kiểu thể mô hình số độ cao -DEM lưu