ĐỀ CƯƠNG MÔN PHÂN TÍCH KHÔNG GIAN

Điểm - Là đối tượng có kích thước bằng 0 về mặt hình học, có tọa độ được thể hiện bằng hàm Pi = fX,Y,Z1Z2Z3...Zm Trong đó: i là Code xác định của mỗi điểm identification Code – ID X,Y l

ĐỀ CƯƠNG PHÂN TÍCH KHÔNG GIAN

Câu 1: Khái niệm chung về GIS?

- GIS là viết tắt của từ Geographic Information System

- Là hệ thống thu thập, lưu trữ, kiểm tra, biến đổi, phân tích và hiển thị các dữ liệu liên quan đến bề mặt không gian Trái Đất

- Bất kỳ quy trình dựa trên cơ sở chỉ dẫn hoặc máy tính được sử dụng để lưu trữ và biến đổi các dữ liệu địa lý

- Là hệ thống CSDL mà các dữ liệu gắn liền với vị trí không gian và quá trình phân tích hoạt động của nó nhằm đáp ứng những yêu cầu của đối tượng không gian trong CSDL

- Là hệ thống với khả năng địa mô hình hóa cao cấp

- Một nhánh của CNTT:

+ Được hình thành từ những năm 60

+ Xử lý thông tin không gian và thuộc tính

+ Ứng dụng trong quản lý, quy hoạch lãnh thổ và những lĩnh vực khác của các khoa học về Trái Đất

Câu 2: Định nghĩa GIS?

- GIS là viết tắt của từ Geographic Information System

- Một hệ thống thông tin địa lý là một công cụ cho việc tạo ra và sử dụng thông tin không gian GIS sử dụng các dữ liệu tham chiếu địa lý, dữ liệu phi không gian và các thao tác hỗ trợ phân tích không gian

- Về mặt thực hành, GIS là một hệ thống dựa vào máy tính để trợ giúp cho công tác thu nhập, bảo vệ, lưu trữ, phân tích, xuất và phân phối dữ liệu và thông tin không gian

 Thành phần của GIS:

Gồm 5 thành phần:

- Thiết bị: thiết bị bao gồm máy vi tính, máy vẽ, máy in, bàn số hóa, thiết bị quét ảnh, các phương tiện lưu trữ số liệu

- Phần mềm: là tập hợp các câu lệnh, chỉ thị nhằm điều khiển phần cứng của máy tính thực hiện một nhiệm vụ xác định, phầm mềm hệ thống thông tin địa lý có thể

là một hoặc tổ hợp các phần mềm máy tính

- Chuyên viên: là người sử dụng hệ thống để thực hiện các chức năng phân tích và

xử lý các số liệu, thông thạo việc lựa chọn các công cụ GIS để sử dụng, có kiến thức về các số liệu đang được sử dụng và thông hiểu các tiến trình đang và sẽ thực hiện

- Số liệu, dữ liệu địa lý: bao gồm các dữ kiện về vị trí địa lý, thuộc tính của thông tin, mối liên hệ không gian của các thông tin và thời gian

- Chính sách và cách thức quản lý: hệ thống GIS cần được điều hành bởi một bộ phận quản lý, bộ phận này phải được bổ nhiệm để tổ chức hoạt động hệ thống GIS một cách có hiệu quả để phục vụ người sử dụng thông tin

Câu 3.1: Mô hình cấu trúc dữ liệu vector

Trong GIS, các đối tượng vector được thể hiện ở 3 yếu tố cơ bản: điểm (point), đường (line), vùng (area hay polygone)

a Điểm

- Là đối tượng có kích thước bằng 0 về mặt hình học, có tọa độ được thể hiện bằng hàm

Pi = f(X,Y,Z1Z2Z3 Zm) Trong đó: i là Code xác định của mỗi điểm (identification Code – ID)

X,Y là tọa độ của điểm, được xác định theo tọa độ phẳng

Z1Z2Z3…Zm là các đặc trưng khác của điểm

- Các đối tượng điểm chỉ dùng để xác định vị trí

- Điểm không có ý nghĩa trong việc đo về kích thước Mặc dù trên bản đồ, các điểm được biểu thị bằng kích thước khác nhau nhưng diện tích của các điểm là không có

ý nghĩa thực tế

- Một số khái niệm về điểm như sau:

+ Điểm thực (entity point):

Dùng để xác định vị trí của các đối tượng dạng điểm như: các tòa nhà, các cột Trường hợp đó, xác định chính xác vị trí của các điểm là điều rất quan trọng + Điểm chỉ tên (label point):

Được sử dụng để hiển thị một tập hợp chữ viết cho các đối tượng bản đồ

+ Điểm chỉ diện tích (area point):

Dùng để xác định một vị trí có thông tin về diện tích Vd: có thể dùng điểm để thể hiện vị trí một quốc gia và độ lớn của điểm chứa đựng thông tin về đất nước đó + Điểm giao nhau (node):

Thể hiện vị trí một diện tích với các dấu hiệu về hình học vd: nơi giao nhau hoặc điểm cuối của các tuyến đường

- Các thông tin về điểm có 1 kích thước trong phân tích không gian mặc dù chúng thể hiện cho các đối tượng có 2 kích thước ở trên bản đồ

Vd: + một điểm biểu thị cho 1 cái giếng

+ Một điểm biểu thị cho 1 cây cột

Mặc dù diện tích mà giếng chiếm khác với diện tích của cột chiếm trên thực tế - do

tỷ lệ bản đồ không đáp ứng Trong phân tích không gian, diện tích giữa các điểm

là không tính (trừ trường hợp các điểm chỉ diện tích, lúc đó điểm đã trở thành vùng)

- Điểm giao nhau :là đối tượng không có chiều, tương tự như điểm, cũng có vị trí và thông tin thuộc tính, nhưng rất nhỏ và được mô tả như vùng Đặc biệt là mô tả điểm giao nhau hoặc điểm đầu cuối của đường

b Đường (line)

- Là tập hợp rất nhiều điểm Mỗi đường đều có thể chia thành nhiều đoạn thẳng và mỗi đoạn thẳng được xác định bởi 2 điểm ở 2 đầu

- Để cấu tạo nên yếu tố hình học của đường thì yếu tố cơ bản là hướng của đường

- Ngoài ra, còn 1 yếu tố khác, đó là sự tiếp nối giữa các đường

- Các yếu tố cơ bản của mỗi đường gồm có:

Lj= f(P1,P2,…Pn, Z1,Z2… Zm,H1…Hq) Trong đó: j: code của đường (ID)

P1: điểm thứ 1

Pn: điểm thứ n

Z1: thuộc tính của đoạn thứ 1

Zm: thuộc tính của đoạn thứ m

Hq: code ID của đoạn thứ q được nối trong thứ tự của đường

(1…n): hướng của đường từ 1 đến n của đường

- Như vậy, đường là yếu tố có một kích thước và thể hiện cả vị trí và hướng

+ Độ dài là dấu hiệu đo đạc và kích thước của đối tượng đường

+ Mặc dù các yếu tố đường thường có không gian hai kích thước trên bản đồ nhưng độ rộng của đường là không được xem xét đến trong tính toán hướng của bản đồ

c Vùng (area) hoặc (polygone)

- Vùng được hiểu là 1 diện tích giới hạn bởi 1 đường khép kín và phần bên trong đó

có những tính chất cụ thể

- Vùng là đặc điểm thể hiện hai kích thước cả vị trí và diện tích, là đối tượng xác định về mặt ranh giới, liên tục và có hai kích thước

- Tính chất của vùng:

+ Polygone được xác định bởi 1 loạt các đường vạch định ranh giới

+ Là yếu tố có 2 kích thước: chu vi, diện tích

+ Mỗi polygone được xác định bởi 1 diện tích nhất định

+ Hai polygone có thể nằm tách biệt với nhau, hoặc kề nhau, hoặc cái nọ nằm trong cái kia

+ Trong trường hợp nằm tách biệt hẳn so với nhau thì lại có khả năng chúng được nối với nhau bằng plygone thứ ba

- Polygone là một hàm:

Gk= f(L1…Ln, Z1…Zm,σ1…σr, φ1…φs, ϕ1…𝜙t) Trong đó: G: là polygone

k là Code của polygone G, tần số kết nối của đường từ L1 đến Ln và nó xác định ranh giới của polygone G

Zn: xác định giá trị của thuộc tính thứ n

σ1…σr: thể hiện một hoặc nhiều polygone kết nối với nhau tạo nên polygone K

ϕ1…𝜙t: xác định có một hay nhiều polygone nằm trong polygone K

φ1…φs: xác định có một hay nhiều polygone chứa trong polygone K

- Nhiều thông tin hình học có thể được bổ sung ngay trong những thông tin về đường hoặc được làm đơn giản hóa đi

- Vd: 2 polygone nằm liền kề thì phải có thêm thông tin về 1 đường thẳng chung ở giữa làm biên giới giữa 2 polygone

Câu 3.2: Mô hình cấu trúc dữ liệu Raster

- Raster được hiểu là ô hình vuông có kích thước nhất định gọi là cell hay pixel, cấu trúc Raster là cấu trúc hình ảnh Mỗi ô vuông có chưa thông tin về một đối tượng hay một sự hợp phần của đối tượng Vị trí của đối tượng được xác định bởi vị trí của các ô vuông theo trật tự hàng và cột

- Mô hình dữ liệu Raster phản ánh toàn bộ vùng nghiên cứu dưới dạng một lưới các

ô vuông hay điểm ảnh (pixel) Mô hình Raster có các đặc điểm:

+ Các điểm được xếp liên tiếp từ trái qua phải và từ trên xuống dưới

+Mỗi điểm ảnh (pixel) chứa 1 giá trị

+Một tập hợp các ma trận điểm và các giá trị tương ứng tạo thành một lớp (layer) + Trong CSDL có thể có nhiều lớp

- Các đặc tính của Raster:

 Độ phân giải:

+ Độ phân giải được định nghĩa như kích thước tuyến tính tối thiểu của đơn

vị không gian địa lý nhỏ nhất mà nó chứa dữ liệu + Trong mô hình Raster các đơn vị nhỏ nhất là chữ nhật (đôi khi là hình lục giác hay tam giác)

+ Đơn vị nhỏ nhất này được gọi là tế bào hay pixel

+ Độ phân giải cao có ý nghĩa là kích thước tế bào nhỏ, nhiều tế bào, chi tiết hơn

 Hướng: là góc giữa phía Bắc và hướng xác định bởi cột Raster

 Vùng: mỗi vùng của lớp bản đồ là tập hợp các vị trí liên tục biểu diễn cùng giá trị

Vd: thửa đất, đơn vị hành chính, hồ, đảo, dải thực vật

- Mô hình dữ liệu Raster là mô hình dữ liệu GIS được dùng tương đối phổ biến trong các bài toán về môi trường, quản lý tài nguyên thiên nhiên

Câu 3.3: So sánh và lựa chọn giữa hai mô hình dữ liệu Raster và Vector gis.

 Giống nhau:

- Cùng cho phép biểu diễn, mô tả các đối tượng địa lý

 Khác nhau:

- Đối tượng thể hiện

- Phương thức lưu trữ

- Dữ liệu nguồn

Ưu-nhược điểm:

Ưu điểm -Cấu trúc dữ liệu đơn giản

-Dễ chồng xếp -Nhiều phương án phân tích không gian

-Thay đổi kích thước và hình dạng

-Công nghệ rẻ

-Mô tả thế giới thực tin cậy -Cấu trúc dữ liệu chặt chẽ -Địa hình có thể được mô tả dưới dạng mạng lưới

-Độ chính xác đồ họa cao

Nhược điểm -Dữ liệu lớn

-“không đẹp”

-biến đổi phép chiếu tọa độ khó khăn

-Sự khác nhau về tỷ lệ giữa các lớp không xử lý được

-Có thể mất thông tin trong quá trình xử lý

- Cấu trúc dữ liệu phức tạp -Mô phỏng có thể khó khăn -Một số phân tích không gian rất khó thực hiện

Câu 3.4: Chuyển đổi dữ liệu Raster và Vector trong GIS

 Chuyển đổi dữ liệu Raster sang vector:

- Biến đổi Raster sang Vector (hay còn gọi là vector hóa) là quá trình tập hợp các pixel để tạo thành đường hoặc vùng

 Chuyển đổi dữ liệu Vector sang Rater:

- Quá trình biến đổi mô hình dữ liệu Vector sang Raster (hay còn gọi là Raster hóa)

là quá trình chia đường hoặc vùng thành các ô pixel

Câu 4: Hệ tọa độ trong GIS và lưới chiếu bản đồ chính trong GIS

 Bản đồ địa lý: là sự biểu thị thu nhỏ quy ước của bề mặt Trái Đất lên mặt phẳng, xây dựng trên cơ sở toán học để phản ánh sự phân bố, trạng thái và mối quan hệ tương quan của các hiện tượng thiên nhiên và xã hội được lựa chọn và khái quát hóa để phù hợp với mục đích sử dụng của bản đồ và đặc trưng cho khu vực nghiên cứu

 Hệ thống tọa độ địa lý hay hệ thống tọa độ lưới, trong đó, vị trí của một nơi trên bề mặt trái đất được xác định vào khoảng cách đến xích đạo và đường kinh tuyến chính

- Phương bắc địa lý (cực Bắc) được xác định là điểm cuối phía Bắc của trục quay trái đất và tương tự như vậy điểm Nam là điểm cuối trục quay trái đất

- Xích đạo là đường tập hợp các điểm có vĩ độ bằng 0 tạo lên

- Kinh tuyến 0 được gọi là kinh tuyến chính, là cơ sở để đo vị trí của các điểm ở hai hướng Đông và Tây

- Kinh độ của một điểm bất kì được đo bởi khoảng cách góc tại xích đạo và điểm thứ 2 tương ứng có cùng vĩ độ và nằm ở kinh tuyến chính

- Vĩ độ của một điểm được đo bởi khoảng cách góc giữa điểm đó với điểm ở xích đạo với cùng kinh tuyến

 Lưới chiếu bản đồ chính trong GIS

- Lưới chiếu bản đồ là sự thể hiện trực quan của phép chiếu bản đồ

- Phép chiếu bản đồ:

+ Là phép chiếu để biểu thị bề mặt Elipxoid lên mặt phẳng

+Lưới chiếu bản đồ là lưới kinh vĩ độ

+Lưới chiếu bản đồ là cơ sở toán học để phân bố chính xác các yếu tố nội dung bản đồ

Câu 5: Định nghĩa và sự cần thiết DTM/DEM/TIN

 Mục đích: Địa hình mô tả tính chất bề mặt (uốn lượn) của một vùng Bề mặt biến đổi một cách liên tục nên khó thực hiện mô hình bằng bản đồ Tuy nhiên bản đồ đường đẳng trị (hiển thị những đường cong ví dụ những đường nối tất cả các điểm

có cùng một giá trị độ cao) kế tiếp nhau hoàn toàn biểu thị tốt một bè mặt liên tục Các đường đồng mức này có thể được lưu lại dưới dạng những vùng trong một

HTTĐL nhưng chúng không thích hợp cho phân tích số hoặc mô hình hóa Để tiến hành phân tích trên dữ liệu địa hình, mô hình số độ cao cần phải được thiết lập

 Bất kỳ biểu diễn độ cao của một sự biến đổi liên tục sự uốn lượn trong không gian dưới dạng số được biết đến như là mô hình số độ cao (DEM)

 Bất kỳ một thuộc tính nào khác mang tính chất là biến liên tục trên bề mặt không gian 2 chiều sẽ được mô hình hóa bởi DEM

 Tuy nhiên, khi biến không phải là độ cao được mô hình hóa, mô hình được gọi dưới tên khác là mô hình số địa hình (DTM)

 Bề mặt được biểu diễn bởi thuộc tính này được biết tới như là một bề mặt thống kê

 Ví dụ: Mức độ ô nhiễm của không khí hoặc mức thu nhập của các vùng lân cận có thể được biểu diễn qua DTM

 Phân loại DEM: DEM dạng vectơ và DEM dạng raster

Trong cấu trúc Vector, DEM có thể được coi như là một lưới tam giác không đều -TIN (Triangle Irregular Network.)

TIN là tập các đỉnh nối với nhau thành các tam giác, mỗi một tam giác được giới hạn bởi 3 điểm xác định về giá trị x,y và z (độ cao)

Trong mô hình Raster DEM (grid): ma trận các ô vuông gồm các hàng và cột.Mỗi một ô (cell) chứa giá trị ñộ cao của ñiểm trung tâm của ô

Câu 6: Tạo DEM và hiển thị DEM

Phương pháp xây dựng DEM

• Phương pháp chụp ảnh lập thể:

– Dùng các dụng cụ chuyên dụng chụp ảnh để thu thập dữ liệu của một vùng với các giá trị x, y z của các điểm trên bề mặt quả đất

– Phương pháp này đòi hỏi kỹ thuật cao trong việc chụp và xử lý ảnh, đòi hỏi số điểm kiểm soát nhiều

– Ví dụ: ảnh hàng không ảnh viễn thám

Xây dựng DEM từ đường đồng mức Bản đồ địa hình (đường đồng mức) TIN  Grid

Câu 7: Xây dựng mô hình cấu trúc dữ liệu cho DEM:GID và TIN

 Mạng lưới tam giác không đều (TINs- Triangulated Irregular Networks) Tập hợp các tam giác không đều nằm kề nhau nối liền các điểm độ cao theo quy tắc Delaunay

 Mạng lưới ô vuông đều (Regular Grid Networks):Tập hợp các ô vuông (pixel) nằm kề nhau thể hiện giá trị độ cao

 Bề mặt TIN: là bề mặt tạo bởi các tam giác không đều với đỉnh là các điểm có giá trị Z khác nhau.Giá trị Z có thể là độ cao, độ lớn

 Bề mặt DEM: bề mặt tạo nên bơi các ô lưới( GRID) có các giá trị Z khác nhau Bề mặt nDEM được sử dụng với dữ liệu Raster

 Hai bề mặt này có thể biến đổi cho nhau trong quá trình xử lý thông tin trong GIS

 Dữ liệu đưa vào xử lý có thể là điểm, là đường hoặc vùng, với các giá trị độ cao khác nhau Trong quá trình xử lý, các dữ liệu được bố trí thành các điểm riêng biệt với độ cao khác nhau.Quá trình đó gọi là tạo ra ma trận độ cao tách biệt

 Ma trận độ cao tách biệt được đưa vào trong xử lý trong mô hình độ cao số, ở đây

sẽ dùng nội suy để bổ sung giá trị độ cao cho toàn vùng

 Với dữ liệu Raster bề mặt được chia thành những ô nhỏ gọi là ô lưới, mỗi ô lưới

có giá trị độ cao riêng và chiếm không gian nhất định Muốn có sự chính xác cao

về độ cao thì bề mặt Raster phải chia thành những ô nhỏ hơn và tương quan tỷ lệ thuận

 Trường hợp bề mặt không nhẵn thì nhiều ô bị thiếu dữ liệu, cần bổ sung (quá trình nội suy)

Câu 8: Phép nội suy?

Dữ liệu đầu vào cho nội suy:

 Nội suy là phương pháp ước tính giá trị của các điểm dữ liệu chưa biết trong phạm vi của một tập hợp rời rạc chứa một số điểm dữ liệu đã biết

Tạo đường đẳng trị là gì?:

 Đường đẳng trị là những đường con nối liền các điểm có cùng trị số của hiện tượng được biểu thị trên bản đồ

 Dùng trong trường hợp cần biểu thị lên bản đồ các hiện tượng có sự thay đổi đều

và có sự phân bố liên tục như: Độ cao mặt đất, nhiệt độ không khí, lượng mưa…

 Đường đẳng trị có tên gọi tùy theo tên của sự vật hiện tượng đcược biểu hiện: Đường đẳng cao, đường đẳng sâu, đường đẳng áp

 Tạo đường đẳng trị là tạo những đường cong điều hòa nối liền các điểm có cùng trị số của hiện tượng Tạo đường đẳng trị cần có đủ số lượng để các điểm trên bản đồ có các giá trị hoặc trị số xác định, nối liền các điểm có giá trị như nhau

Câu 9: Giới thiệu về phân tích không gian

- Phân tích không gian trong GIS bao gồm 3 hoạt động chính:

+ Giải quyết các câu hỏi về thuộc tính

+ Các câu hỏi về phân tích không gian

+ Tạo nên tập dữ liệu mới từ CSDL ban đầu

- Mục tiêu: từ việc giải quyết các câu hỏi đơn giản về các hiện tượng, các vấn đề trong không gian, đi đến tập hợp thành các thuộc tính của một hay nhiều lớp và phân tích được sự liên quan giữa các dữ liệu ban đầu

- Một số vấn đề cơ bản trong xử lý không gian:

+ Xử lý thông tin trong 1 lớp

+ Xử lý thông tin nhiều lớp

+ Phân tích các mẫu điểm

+ Phân tích mạng

+Phân tích xử lý theo ô lưới

+Phân tích xử lý nhiều lớp thông tin theo điều kiện

10 Tổ hợp phân tích 1 lớp không gian

Để xử lý 1 lớp không gian có 3 thao tác chính hay được sử dụng, bao gồm: Truy vấn dữ liệu, phân loại và đo đạc