Tích hợp GIS và ảnh viễn thám hỗ trợ 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: Mã số: KHOA HỌC MÁY TÍNH 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 Số hóa Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn “Tích hợp GIS ảnh viễn thám hỗ trợ quản lý vùng ven biển Hải Phòng” công trình nghiên cứu hướng dẫn khoa học PGS.TS Đặng Văn Đức, tham khảo nguồn tài liệu rõ trích dẫn danh mục tài liệu tham khảo Các nội dung công bố kết trình bày luận văn trung thực chưa công bố công trình Thái Nguyên, ngày 10 tháng 10 năm 2010 Lê Thanh Bình Số hóa Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn PHỤ LỤC MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Mục tiêu nghiên cứu tính cấp thiết đề tài Phạm vi nghiên cứu ứng dụng Ý nghĩa khoa học Phương pháp nghiên cứu TỔNG QUAN NỘI DUNG CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ GIS VÀ VIỄN THÁM 1.1 Khái quát Hệ thông tin địa lý GIS 1.1.1 Khái niệm Hệ thông tin địa lý 1.1.2 Các thành phần Hệ thông tin địa lý 12 1.1.3 Các chức Hệ thống thông tin địa lý 15 1.1.4 Hệ thông tin địa lý làm việc 17 1.2 Khái quát viễn thám 22 1.2.1 Định nghĩa 22 1.2.2 Phân loại viễn thám theo bước sóng 22 1.2.3 Nguyên lý viễn thám 23 1.2.4 Ứng dụng viễn thám 25 1.2.5 Phân loại viễn thám 26 1.2.6 Vấn đề thu nhận phân tích tư liệu viễn thám 28 CHƢƠNG TÍCH HỢP GIS VÀ ẢNH VIỄN THÁM TRONG QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN THIÊN NHIÊN VÀ MÔI TRƢỜNG 30 2.1 Thu thập ảnh viễn thám TerraLook 30 2.2 Thu thập tiền xử lý liệu đồ véctơ 31 2.3 Nắn chỉnh liệu đồ 38 2.4 Đơn giản hóa liệu không gian 42 2.5 Chồng ghếp đồ 43 2.6 Một số thuật toán minh họa 48 CHƢƠNG THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH BIẾN ĐỘNG 54 Số hóa Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3.1 Giới thiệu toán 54 3.2 Giới thiệu ArcGIS 54 3.2.1 Giới thiệu phần mềm ArcGIS 54 3.2.2 Giới thiệu 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 đồ vector theo ảnh vệ tinh 58 3.4.2 Chồng ghép đồ 61 3.4.3 Tính diện tích biến động 62 KẾT LUẬN 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 Số hóa Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Mô hình hệ thống thông tin địa lý Hình 1.2 Các tầng GIS Hình 1.3 Các thành phần GIS 11 Hình 1.4 Sơ đồ tổ chức hệ thống phần cứng máy tính 12 Hình 1.5 Phần mềm GIS chức thực 13 Hình 1.6 Chức 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 dạng Raster, Vector 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 hệ thống viễn thám chủ động bị động 26 Hình 1.15 Mô hình viễn thám vệ tinh địa tĩnh 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 đồ qua bàn số hóa 35 Hình 2.4 Số hóa đồ 36 Hình 2.5 Minh họa thuật toán Douglas-Peucker 36 Hình 2.6 Chồng ghép liệu 42 Hình 2.7 Chồng ghép đa giác 44 Hình 2.8 Tiến trình phủ đa giác 45 Hình 2.9 Đường đa giác lệch 46 Hình 2.10 Giao đoạn thẳng 48 Hình 2.11 Điểm đa giác 49 Hình 2.12 Điểm đa giác 49 Hình 2.13 Diện tích đa giác 50 Hình 2.14 Giao đa giác 51 Hình 2.15 Xác định cạnh đa giác 52 Hình 2.16 Tách đa giác kết 52 Hình 3.1 Giới thiệu ArcGIS 54 Hình 3.2 Giới thiệu ArcMAP 56 Hình 3.3 Các điểm khống chế lựa chọn 57 Hình 3.4 Lựa chọn điểm khống chế đồ vector 58 Hình 3.5 Lựa chọn điểm khống chế tương ứng ảnh VT năm 2000 58 Hình 3.6 Thao tác nắn chỉnh 59 Hình 3.7 Nắn chỉnh đồ vector theo ảnh vệ tinh năm 2000 59 Hình 3.8 Nắn chỉnh đồ vector theo ảnh vệ tinh năm 1990 60 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Mô hình liệu Vectơ 17 Bảng 1.2 So sánh mô hình Raster Vector 19 Số hóa Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài - Công nghệ GIS viễn thám nước phát triển giới phát triển ứng dụng hiệu quả, Việt Nam công nghệ giai đoạn khởi đầu - Hải Phòng thành phố có dải bờ biển đẹp tương đối dài Theo thời gian dải bờ biển có biến động Lựa chọn đề tài để nắm biến động Mục tiêu nghiên cứu tính cấp thiết đề tài Ứng dụng GIS viễn thám việc xác định biến động dải bờ biển Hải Phòng theo thời gian Phạm vi nghiên cứu 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 liệu đồ Ý nghĩa khoa học Thông qua việc sử dụng công nghệ GIS ảnh viễn thám để hỗ trợ công tác quản lý tài nguyên thiên nhiên Phƣơng pháp nghiên cứu - Khai thác thông tin từ nhiều nguồn, hệ thống hóa lựa chọn thông tin cần thiết - Tìm hiểu, khảo sát thực tế trạng công tác quản lý tài nguyên thiên nhiên - Sử dụng công cụ thu thập xử lý ảnh viễn thám, thu thập liệu đồ - Sử dụng phương pháp chuyên gia phân tích thiết kế hệ thống, xây dựng kiến trúc tổng thể, xây dựng chi tiết kỹ thuật, nghiên cứu xây dựng mô hình Số hóa Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn TỔNG QUAN Việt Nam có đường bờ biển dài 3200 km, với khoảng 3000 đảo khoảng 4000 xã ven biển Cũng giống nhiều nước Đông Nam Á, phần lớn dân số, công nghiệp, dịch vụ, đầu tư, thành phố lớn nằm ven biển Thành phố Hải Phòng có dải bờ biển dài 125 km, thấp phẳng, cấu tạo chủ yếu cát bùn cửa sông đổ biển Có khoảng gần 40% dân số sống diện tích 780km2 thuộc xã, quận, huyện sát biển Khu nội thành đô thị hóa trăm năm nằm cận cửa biển Nam Triệu Vì vậy, Hải Phòng địa phương chịu nhiều tác động môi trường ảnh hưởng nước biển dâng Xói sạt bờ biển tượng phổ biến ven biển Hải Phòng, kể bờ đảo nhiều đoạn nằm sâu phía nhiều đoạn bờ nằm sâu phía cửa sông Xói lở đoạn bờ đảo Cát Hải trở thành điển hình nước Đời sống phận không nhỏ ngư dân sống vùng ven biển gặp nhiều khó khăn, trình độ dân trí thấp, phương thức khai thác tài nguyên lạc hậu Đây nguyên nhân dẫn đến suy giảm tài nguyên biển, ảnh hưởng sâu sắc đến tình hình kinh tế, trị, môi trường sinh thái Đứng trước thực tế đó, việc tìm thay đổi địa hình dải bờ biển Hải Phòng nguyên nhân nhằm giúp nhà hoạch định sách đưa biện pháp bảo vệ sử dụng bền vững nguồn tài nguyên biển việc làm quan trọng cần thiết Nghiên cứu tài nguyên môi trường thực không dựa phương tiện, công nghệ truyền thống mà bắt đầu thực hệ thống quan sát từ xa đặt vệ tinh nhân tạo thiết bị bay có người điều khiển Công nghệ vũ trụ với hệ thống thu thập thông tin đa phổ, đa thời gian cho phép thực công việc thu thập tổng hợp liệu cách nhanh chóng hơn, hiệu Việc ứng dụng công nghệ vũ trụ đem lại hiệu to lớn việc gìn giữ phát triển bền vững nguồn tài nguyên thiên nhiên Số hóa Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Ngày nay, qua thực tế công trình nghiên cứu, người nhận thấy tính không ổn định hệ thống Trái đất với tượng lũ lụt, hạn hán, sạt nở đất, báo động nguồn nước ngầm,…, đó, để đưa định kế hoạch đắn việc sử dụng hợp lý nguồn tài nguyên biển, nghiên cứu chuyên đề khác, phải đánh giá thực trạng biến đổi dải bờ biển qua thời kỳ Vùng biển thành phố Hải Phòng nơi có thay đổi tương đối mạnh địa chất, đặc biệt dải bờ biển năm gần tác động mạnh thiên nhiên người có sụ biến động Hiện có nhiều phương pháp cách tiếp cận khác để theo dõi, nghiên cứu thay đổi địa hình bờ biển Phương pháp ứng dụng viễn thám GIS phương pháp đại, sử dụng công cụ mạnh có khả giúp giải vấn đề không gian tầm vĩ mô thời gian ngắn diện tích rộng Từ quan điểm nêu việc nghiên cứu phát triển rộng phương pháp sử dụng liệu ảnh viễn thám liệu địa lý để tìm hiểu thay đổi trạng bờ biển xem xét thay đổi nhằm đưa khuyến cáo phù hợp để tăng cường công tác quản lý dải bờ biển Nghiên cứu, đánh giá thay đổi dải bờ biển qua giai đoạn khác có nhiều tác giả đề cập nhiều công trình đề tài nghiên cứu Tuy nhiên việc áp dụng chúng vào hoàn cảnh cụ thể cần nghiên cứu để tìm cách tiếp cận hợp lý đánh giá khả ứng dụng chúng cách đắn Từ lý nêu, đồng ý khoa Công nghệ thông tin tiến hành nghiên cứu đề tài: “Tích hợp GIS ảnh viễn thám hỗ trợ quản lý vùng ven biển Hải Phòng” Số hóa Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ GIS VÀ VIỄN THÁM 1.1 Khái quát Hệ thông tin địa lý GIS 1.1.1 Khái niệm Hệ thông tin địa lý Có nhiều cách hiểu định nghĩa khác GIS, song có điểm giống như: bao hàm liệu không gian, phân biệt hệ thông tin quản lý GIS So với đồ GIS lưu trữ biểu diễn liệu hoàn toàn độc lập với GIS cung cấp khả quan sát góc độ khác với tập liệu Theo cách định nghĩa dự án The Geographer’s Craft khoa địa lý trường đại học TEXAS : GIS sở liệu (CSDL) số chuyên dụng hệ trục toạ độ không gian phương tiện tham chiếu GIS gồm công cụ để thực công việc sau : - Nhập số liệu từ đồ giấy, ảnh vệ tinh, ảnh máy bay, số liệu tổng hợp từ nguồn khác - Lưu trữ liệu, khai thác, truy vấn CSDL - Biến đổi liệu, phân tích, mô hình hoá bao gồm liệu thống kê liệu không gian - Lập báo cáo gồm đồ chuyên đề, bảng biểu, kế hoạch Từ định nghĩa cho thấy vấn đề GIS: - Thứ nhất: GIS có quan hệ với ứng dụng CSDL, toàn thông tin GIS liên kết với tham chiếu không gian, CSDL GIS sử dụng phép chiếu không gian phương tiện để lưu trữ xâm nhập thông tin - Thứ hai: GIS công nghệ tích hợp, hệ thống GIS đầy đủ có khả phân tích bao gồm phân tích ảnh vệ tinh, ảnh máy bay… hay tạo mô hình thống kê, vẽ đồ - Thứ ba: GIS không đơn hệ thống phần cứng, phần mềm rời rạc mà sử dụng vào hỗ trợ định Số hóa Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 10 Theo cách định nghĩa David Cowen (Hoa kỳ): GIS hệ thống phần cứng, phần mềm thủ tục thiết kế để thu thập, quản lý, xử lý, phân tích, mô hình hoá hiển thị liệu qui chiếu không gian để giải vấn đề quản lý lập kế hoạch phức tạp Độ phức tạp giới thực không giới hạn Để lưu trữ, quản lý liệu giới thực cần có CSDL lớn Khi lưu trữ liệu cần giảm số lượng liệu đến mức quản lý trình đơn giản hoá hay trừu tượng hoá Thực chất trình tập trung chọn lọc điểm bản, đặc trưng đối tượng cần lưu trữ, loại bỏ chi tiết thừa không cần thiết đồng thời hình tượng hoá đối tượng Phần mềm công cụ GIS + CSDL trừu tượng hoá Thế giới thực Người sử dụng Kết Hình 1.1 Mô hình hệ thống thông tin địa lý Mục tiêu GIS là: cung cấp cấu trúc hệ thống để quản lý thông tin địa lý khác phức tạp, công cụ, thao tác hiển thị, truy vấn, mô phỏng… GIS lưu thông tin giới thực thành tầng đồ chuyên đề (Layer) có khả liên kết địa lý với từ đối tượng có liên quan, thể đồ chuyên đề layer tương ứng gọi Layer CTCC Layer nhà Layer đường thông Layer địa hình Hình 1.2 Các tầng GIS Ví dụ đồ thành phố tách thành layer để hiển thị lưu trữ liệu hình Số hóa Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read ... tiếp cận hợp lý đánh giá khả ứng dụng chúng cách đắn Từ lý nêu, đồng ý khoa Công nghệ thông tin tiến hành nghiên cứu đề tài: Tích hợp GIS ảnh viễn thám hỗ trợ quản lý vùng ven biển Hải Phòng ... lý viễn thám 23 1.2.4 Ứng dụng viễn thám 25 1.2.5 Phân loại viễn thám 26 1.2.6 Vấn đề thu nhận phân tích tư liệu viễn thám 28 CHƢƠNG TÍCH HỢP GIS VÀ ẢNH VIỄN THÁM...2 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn Tích hợp GIS ảnh viễn thám hỗ trợ quản lý vùng ven biển Hải Phòng công trình nghiên cứu hướng dẫn khoa học PGS.TS Đặng Văn Đức,