Nghiên cứu xây dựng cơ sở dữ liệu nền thông tin địa lý từ bản đồ địa hình tỷ lệ lớn

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT ĐỖ HOÀNG VŨ NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU NỀN THÔNG TIN ĐỊA LÝ TỪ BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH TỶ LỆ LỚN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Hà Nội – 2011 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT ĐỖ HOÀNG VŨ NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU NỀN THÔNG TIN ĐỊA LÝ TỪ BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH TỶ LỆ LỚN Chuyên ngành: Bản đồ, viễn thám hệ thông tin địa lý Mã số: 60.44.76 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Trần Đình Trí Hà Nội – 2011 Hà Nội – 2011 Lời cam đoan Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả luận văn Đỗ Hồng Vũ MỤC LỤC Trang phụ bìa Lời cam đoan Mục lục Danh mục bảng Danh mục hình vẽ Danh mục thuật ngữ, chữ viết tắt MỞ ĐẦU Chƣơng HỆ THÔNG TIN ĐỊA LÝ 1.1 Khái niệm hệ thông tin địa lý GIS 1.2 Các thành phần GIS 1.2.1 Thiết bị (phần cứng) 1.2.2 Phần mềm 1.2.3 Số liệu, liệu địa lý 1.2.4 Chuyên viên 1.2.5 Chính sách quản lý 1.3 Các chức GIS 1.3.1 Thu thập liệu 1.3.2 Lưu trữ truy cập liệu 1.3.3 Tìm kiếm phân tích liệu khơng gian 10 1.4 Cấu trúc CSDL hệ thống thông tin địa lý GIS 11 1.4.1 CSDL không gian 12 1.4.2 CSDL thuộc tính 16 1.4.3 Mối liên kết liệu 18 1.5 Xử lý thông tin đồ kỹ thuật GIS 18 1.5.1 Cấu trúc thông tin đồ 19 1.5.2 Mơ hình phân lớp hệ thống liệu 19 1.5.3 Chuẩn thông tin đồ 20 Chƣơng XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU NỀN THÔNG TIN ĐỊA LÝ TỪ BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH TỶ LỆ 1:2000 22 2.1 Khái niệm đồ địa hình dạng số khác biệt so với liệu địa lý 22 2.2 Nội dung đồ địa hình tỷ lệ 1:2000 28 2.2.1 Cơ sở toán học 28 2.2.2 Các yếu tố nội dung BĐĐH tỷ lệ 1:2000 30 2.3 Nghiên cứu xây dựng CSDL TTĐL từ BĐĐH tỷ lệ 1:2000 31 2.3.1 Cơ sở pháp lý việc xây dựng CSDL địa lý 32 2.3.2 Chỉ tiêu kỹ thuật CSDL thông tin địa lý 1:2000 32 2.3.3 Xây dựng CSDL thông tin địa lý từ nội dung đồ địa hình tỷ lệ 1:2000 35 Chƣơng THỰC NGHIỆM XÂY DỰNG CSDL NỀN THÔNG TIN ĐỊA LÝ TỪ BĐĐH TỶ LỆ 1:2000 KHU VỰC MÊ LINH – HÀ NỘI 53 3.1 Khái quát yêu cầu, nhiệm vụ đặc điểm khu vực cần nghiên cứu 53 3.1.1 Yêu cầu, nhiệm vụ 53 3.1.2 Đặc điểm địa lý tự nhiên, kinh tế, xã hội khu vực nghiên cứu 53 3.1.3 Hiện trạng thông tin tư liệu khu vực nghiên cứu 56 3.2 Xây dựng CSDL thông tin địa lý từ nội dung đồ địa hình tỷ lệ 1: 2000 khu vực Mê Linh, Hà Nội 57 3.2.1 Các phần mềm sử dụng 57 3.2.2 Xây dựng mơ hình cấu trúc sở liệu địa lý 1:2000 lập danh mục đối tượng địa lý 58 3.2.3 Bổ sung thông tin cho thị chuẩn hoá đối tượng địa lý 75 3.2.4 Tách lọc chuẩn hóa liệu thông tin địa lý 77 3.2.5 Gán thơng tin thuộc tính cho đối tượng 78 3.2.6 Convert liệu từ file dgn vào Geo 80 3.2.7 Xử lý liệu ArcGis 88 3.2.8 Xây dựng DTM từ đồ số 90 3.2.9 Siêu liệu (Metadata) 90 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 91 TÀI LIỆU THAM KHẢO 93 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Trong năm gần đây, với phát triển nhanh chóng khoa học công nghệ, công nghệ tin học không ngừng phát triển hội nhập vào xu thời đại Cũng từ cơng nghệ tin học phát huy mạnh vào lĩnh vực sống Hệ thông tin địa lý (GIS) hệ thống thu nhận, lưu giữ, phân tích, quản lý, thị cập nhật thông tin giới thực dạng tập hợp lớp chuyên đề liên kết với nhờ đặc điểm địa lý Với tính ưu việt, GIS ngày ứng dụng nhiều lĩnh vực nghiên cứu quản lý, bảo vệ tài nguyên, bảo vệ môi trường ứng dụng quân Cơ sở liệu (CSDL) hợp phần trọng tâm hệ tong tin địa lý CSDL GIS hệ liệu địa lý bao gồm hai loại liệu chủ yếu: liệu thuộc tính liệu khơng gian, gắn bó với cách chặt chẽ có quy luật CSDL thơng tin địa lý xây dựng nhằm đáp ứng nhu cầu cấp thiết từ thực tế, hệ thống ” xương sống’’ (khung) hệ thống thơng tin địa lý Có thể nói, khơng có CSDL GIS khơng thể có hệ thống thơng tin địa lý Để đáp ứng tốc độ phát triển nhanh chóng cơng nghệ thông tin công nghệ GIS hiểu r phần việc xây dựng CSDL thông tin địa lý, tác giả chọn đề tài Nghiê bả hì h tỷ ux y g s i u th g ti t ” Mục đích nghiên cứu Đề tài thực với mục đích nghiên cứu việc xây dựng sở liệu thông tin địa lý từ nội dung đồ địa hình tỷ lệ lớn (mà tỷ lệ 1: 2000), sản phẩm liệu địa lý có độ chi tiết độ xác đảm bảo để làm cho mục đích xây dựng hệ thơng tin địa lý cho chuyên đề khác nhau, phục vụ cho việc quy hoạch, phát triển kinh tế xã hội, quản lý tài nguyên môi trường Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Nội dung nghiên cứu: Nghiên cứu xây dựng sở liệu thông tin địa lý GIS từ nội dung đồ địa hình tỷ lệ 1:2000 Khu vực nghiên cứu: gồm mảnh đồ địa hình tỷ lệ 1:2000 thuộc khu vực Mê Linh, Hà Nội Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu yêu cầu quy định liệu thông tin địa lý - Nghiên cứu xây dựng sở liệu thông tin địa lý GIS từ nội dung đồ địa hình tỷ lệ 1:2000 - Thử nghiệm xây dựng CSDL thông tin địa lý GIS từ mảnh đồ địa hình tỷ lệ 1:2000 thuộc khu vực Mê Linh, Hà Nội Phƣơng pháp nghiên cứu - Phân tích, tổng hợp, sở lý luận thực tiễn - Ứng dụng Tin học - Phương pháp đồ - Phương pháp GIS Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài - Đưa quy trình sản xuất việc xây dựng sở liệu thông tin địa lý GIS từ nội dung đồ địa hình tỷ lệ 1:2000 - Sản phẩm thử nghiệm xây dựng CSDL thông tin địa lý từ mảnh đồ địa hình tỷ lệ 1:2000 thuộc khu vực Mê Linh, Hà Nội Cấu trúc luận văn Ngoài phần mở đầu, kết luận kiến nghị, cấu trúc luận văn gồm chương Trong trình thực đề tài, tơi nhận giúp đớ tận tình thầy cơ, gia đình, bạn bè đồng nghiệp Tôi xin chân thành cảm ơn giúp đỡ quý báu Trước hết, tơi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến thầy giáo PGS.TS-Trần Đình Trí, người trực tiếp hướng dẫn bảo phương pháp làm việc nghiên cứu để hồn thành luận văn Tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy cô giáo khoa Trắc địa hết long dạy bảo đưa ý kiến địng góp q báu cho tơi suốt q trình học tập hồn thiện luận văn Cuối xin bày tỏ biết ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè đồng nghiệp giúp đỡ học tập, công tác sống Xin chân thành cảm ơn! Chƣơng HỆ THÔNG TIN ĐỊA LÝ Hình 1.1 Thế giới thực mơ liệu địa lý 1.1 Khái niệm hệ thông tin địa lý GIS Hệ thống thông tin địa lý (GIS – Geographical Information Systems), hệ thống thơng tin có khả hệ thống máy tính (phần cứng, phần mềm) thiết bị ngoại vi dùng để nhập lưu trữ, truy vấn, xử lý, phân tích, hiển thị xuất liệu Trong CSDL hệ thống chứa liệu đối tượng, hoạt động kinh tế, xã hội, nhân văn, phân bố theo không gian kiện xảy theo tiến trình lịch sử Có thể nói cách khác rằng, hệ thống thơng tin địa lý hệ thống máy tính (phần cứng, phần mềm) thiết bị ngoại vi có khả trả lời câu hỏi bản: Ai? Cái gì? Ở đâu? Khi nào? Như nào? Tại sao? Khi xác định trước một vài nội dung câu hỏi Trong câu trả lời Ai?, Cái gì? Xác định đối tượng, hoạt động, kiện cần khảo sát; Câu trả lời Ở đâu?” xác định vị trí đối tượng, hoạt động kiện; câu trả lời Như nào?” Tại sao?” Là kết phân tích hệ thông tin địa lý 1.2 Các thành phần GIS Công nghệ GIS hệ thống gồm hợp phần với chức r ràng Đó là: thiết bị, phần mềm, số liệu-dữ liệu địa lý, chuyên viên, sách quản lý Hình 1.2 Các thành phần hệ thống thông tin địa lý GIS 1.2.1 Thiết bị (phần cứng) Thiết bị bao gồm: máy vi tính (computer), máy vẽ (plotters), máy in (printer), bàn số hóa (digitizer), thiết bị quét ảnh (scanners), phương tiện lưu trữ số liệu (Ploppy diskettes, Optical cartridges, CD ROM v.v…) Hình 1.3 Các thành phần thiết bị hệ thống GIS 79 Hình 3.11 Gán thơng tin thuộc tính cho đối tượng phần mềm eTMaGIS Khi đối tượng đồ hoạ gán thơng tin thuộc tính thơng tin thuộc tính ban đầu khởi tạo rỗng, ta phải gán thuộc tính cho đối tượng Chức gán thông tin cho phép gán thông tin thuộc tính cho tất cá đối tượng lớp thông tin lựa chọn từ nguồn liệu khác Đó : - Gán thơng tin từ nh n đồ đối tượng Lưu ý: ghi đồ tồn dạng text textnode Các ghi phải thoả mãn điều kiện: Đối với đối tượng dạng điểm: Tâm ghi cần phải bắt vào vị trí tâm đối tượng Đối với đối tượng dạng đường: tâm ghi phải bắt vào đỉnh nằm cạnh đối tượng Đối với đối tượng dạng vùng: tâm ghi phải nằm đối tượng Hình 3.12 Thực gán thơng tin từ nh n đồ đối tượng 80 - Gán thông tin từ tệp (theo thể đồ) Hình 3.13 Thực gán thơng tin từ tệp Sau tách lọc gán thông tin cho đối tượng địa lý, ta tiến hành chuyển đổi nội dung liệu địa lý từ môi trường đồ hoạ (*.dgn) sang định dạng file phần mềm ArcGis 3.2.6 Convert liệu từ file dgn vào Geo Có định dạng ArcGis dùng để lưu trữ liệu địa lý Shape Files Personal Geodatabase Personal Geodatabase: Là sở liệu chứa file có (*.mdb), cho phép lưu trữ topology đối tượng Trong Personal Geodatabase có hay nhiều Feature Dataset Feature Dataset nhóm loại đối tượng có chung hệ quy chiếu hệ toạ độ Một Feature Dataset chứa hay nhiều Feature class Feature class đơn vị chứa đối tượng không gian đồ tương đương với lớp (layer) Mỗi Feature Class chứa dạng đối tượng (Point, Line, Polygon) Một Feature class gắn với bảng thuộc 81 tính (Attribute Table) Khi ta tạo Feature class bảng thuộc tính tương ứng tự động tạo Ưu điểm Personal Geodatabase xây dựng hành vi riêng, đặc trưng lưu hoàn toàn Geodatabase đơn lớp đối tượng lớn Personal Geodatabase lưu dễ dàng không cần phải lợp lên - Sử dụng phần mềm ConvertDGNToGeoDB để convert liệu từ file dgn sang Geo: Hình 3.14 Convert liệu DGN To GeoDB 82 Sau convert liệu xong ta có sản phẩm : Hình 3.15 Dữ liệu thơng tin địa lý gói liệu mơi trường GIS Hình 3.16 Thể đối tượng dạng điểm ARCGIS 83 Hình 3.17 Thể đối tượng dạng đường ARCGIS Hình 3.18 Thể đối tượng dạng vùng ARCGIS 84 Hình 3.19 Bảng trường thuộc tính lớp gói phủ bề mặt 85 Hình 3.20 Bảng trường thuộc tính lớp tim đường Hình 3.21 Bảng trường thuộc tính lớp điểm độ cao gói địa hình 86 3.2.7 Xử lý liệu ArcGis a, Kiểm tra quan hệ không gian topology Các đối tượng địa lý xây dựng Microstation thường xây dựng theo kiểu spaghetti, khơng có quan hệ khơng gian topology Chính chuyển đồi liệu sang Geodatabase phải xây dựng lại quan hệ không gian topology đối tượng Kiểm tra quan hệ không gian đối tượng lớp đối tượng lớp theo yêu cầu quan hệ khơng gian đối tượng mơ hình cấu trúc liệu UML Các quan hệ topolofy nên lưu trữ thành file định dạng *.rul ArcGis, file lưu trữ nhiều luật quan hệ đối tượng địa lý với nhằm mục đích tiện lợi cần kiểm tra quan hệ topology cho đối tượng, cần mở file lưu trữ cấu hình khơng cần chọn lại đối tượng luật quan hệ đối tượng Khi phát lỗi quan hệ topology cần xem xét lại vị trí tương quan đối tượng để định có phải sửa lỗi hay không b, Liên kết đối tượng Các đối tượng địa lý chuyển vào Geodatabase có giá trị thuộc tính gán cịn rời rạc theo phạm vi mảnh đồ, sau kiểm tra topology phải lien kết lại nhằm tạo đối tượng địa lý hoàn chỉnh Sử dụng công cụ Dissolve ArcToolbox để tiến hành liên kết Hình 3.22 Liên kết đối tượng cơng cụ Dissovle 87 c, Cập nhật giá trị thuộc tính m nhận dạng Mã nhận dạng thuộc tính quy định cho đối tượng địa lý CSDL địa lý Việc cập nhật mã nhận dạng tiến hành sau khơng cịn chỉnh sửa liệu đối tượng lien kết hồn chỉnh Hình 3.23 Cập nhật m nhận dạng phần mềm Convert Data 88 3.2.8 Xây dựng DTM từ đồ số Sản phẩm mơ hình số địa hình (DTM) thành phần liệu địa hình, thành lập đồng thời trình xây dựng đối tượng địa lý, đảm bảo quan hệ không gian hợp lý đối tượng bề mặt phản ánh vào tập liệu Mơ hình số địa hình (DTM) biểu thị dáng đất bề mặt trái đất (không bao gồm lớp phủ bề mặt nó) hệ thống điểm xác định toạ độ X, Y, Z Thông thường điểm trải theo chiều ngang (dọc) tạo thành lưới ô vuông dạng Cell Pixel, độ cao gán cho Cell Pixel Kích thước lưới vuông xác định độ phân giải mức độ tổng hợp hóa DTM Sử dụng cơng cụ 3D Analyst ArcGis để xây dựng yếu tố địa mơ hình số độ hình (DTM) dạng raster TIN Đây cách giúp ta nhận biết biến thiên liên tục địa hình Hình 3.24 Mơ hình raster 89 Hình 3.25 Mơ hình TIN Hình 3.26 Hiển thị mơ hình số độ cao TIN ArcScene 90 3.2.9 Siêu liệu (Metadata) Hình 3.27 Kết nạp thông tin Metadata phần mềm VMP Editer 91 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Hệ thơng tin địa lý với tính đa dạng phong phú ngày phát huy vai trị quan trọng hoạt động đời sống xã hội CSDL thành phần quan trọng hệ sở liệu GIS CSDL thông tin địa lý tập hợp thơng tin khơng gian thơng tin thuộc tính đối tượng địa lý bề mặt trái đất, sản phẩm xây dựng từ liệu tập hợp đối tượng địa lý dựa tiêu chuẩn kỹ thuật định ví dụ OGC, W3C, ISO TC211,…, có khả mã hóa, cập nhật trao đổi qua dịch vụ truyền tin đại Định dạng mở, không phụ thuộc vào phần mềm gia công giữ liệu, CSDL địa lý để mơ tả giới thực mức sở, có độ chi tiết độ xác đảm bảo để làm nền” cho mục đích xây dựng hệ thống thông tin địa lý chuyên đề khác CSDL thông tin địa lý xây dựng từ nhiều nguồn liệu khác nhau, từ ảnh hàng không, ảnh vệ tinh, ảnh số LIDAR kế thừa có chọn lọc đối tượng địa lý từ loại đồ khác đồ địa hình, hay loại đồ chuyên đề khác Bản đồ địa hình thể đối tượng địa lý bề mặt trái đất có khái quát hóa thể tính quy luật quy mơ đối tượng với độ xác mức độ tỉ mỉ tùy thuộc vào tỷ lệ đồ Vì việc sử dụng nguồn liệu đầu vào đồ địa hình để xây dựng CSDL thông tin địa lý giải pháp hữu hiệu kinh tế Kết cho độ xác cao, đảm bảo độ tin cậy phục vụ xây dựng CSDL thông tin địa lý cung cấp sản phẩm thời gian ngắn Những kết nghiên cứu đề tài đóng góp có hiệu cho việc hồn thiện CSDL góp phần tạo lập hệ thống CSDL GIS thống Qua thực nghiệm nghiên cứu, phần mềm ArcGis đánh giá phần mềm ưu việt để thành lập hệ thống CSDL địa lý nhờ chuẩn tương 92 thích với chuẩn thông tin địa lý sở quốc gia cơng cụ mạnh để phân tích liệu Kiến nghị Chuẩn thông tin địa lý Quốc gia Bộ Tài nguyên Môi trường ban hành, việc đào tạo, cập nhật kiến thức cho quan, doanh nghiệp lĩnh vực có liên quan cần quan tâm mức để đáp ứng yêu cầu đặt Cơ sở liệu cần phải thiết lập với công nghệ tiên tiến giới lĩnh vực Do cần phải đào tạo đội ngũ cán quản lý, sử dụng thành thạo phần mềm, thiết bị, phục vụ cơng tác xây dựng CSDL Nhằm mục đích chuẩn hóa phương pháp, cơng cụ dịch vụ cho việc quản lý, thu thập, xử lý, phân tích, truy nhập, thể trao đổi liệu người sử dụng hệ thống GIS khác Quy trình cơng nghệ cồng kềnh phức tạp, cần nghiên cứu phần mềm tích hợp chức hỗ trợ thực quy trình xây dựng CSDL thông tin địa lý cách đơn giản 93 TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Kim Anh (2002), Nguyên lý hệ sở liệu, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội Bộ Tài nguyên Môi trường (2007), Quyết định việc ban hành Quy định áp dụng chuẩn thông tin địa lý sở quốc gia, Quyết định Bộ trưởng Bộ Tài nguyên Môi trường, với 12 phụ lục kèm theo Công ty TNHH tin học EK, Giáo trình đào tạo xây dựng liệu địa lý phần mềm ARCGIS Công ty TNHH tin học EK (2008), Hướng dẫn sử dụng phần mềm hỗ trợ xây dựng liệu địa lý Microstation Dương Kiều Hoa (2005), Phân tích thiết kế hệ thống thông tin với UML, NXB Đại học Quốc gia, TP Hồ Chí Minh Phạm Vọng Thành (2000), Bài giảng sở hệ thống thông tin địa lý, Trường Đại học Mỏ - Địa Chất, Hà Nội Viện nghiên cứu địa – Bộ Tài nguyên Mơi trường, Nghiên cứu xây dựng mơ hình số độ cao phục vụ quản lý tài nguyên thiên nhiên Nguyễn Trường Xuân (2000), Một số kiến thức hệ thống thông tin địa lý, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Hà Nội http://www.nea.gov.vn/html/gis_web/chuan_csdl.html 10 http://www.nea.gov.vn/html/gis_web/Chuan%20GIS/cautruc.htm ... 2.3.3 Xây dựng CSDL thông tin địa lý từ nội dung đồ địa hình tỷ lệ 1:2000 36 Sơ đồ quy trình cơng nghệ xây dựng CSDL thơng tin địa lý từ đồ địa hình tỷ lệ 1:2000: Xây dựng mơ hình cấu trúc liệu. .. TRƢỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT ĐỖ HOÀNG VŨ NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU NỀN THÔNG TIN ĐỊA LÝ TỪ BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH TỶ LỆ LỚN Chuyên ngành: Bản đồ, viễn thám hệ thông tin địa lý Mã số: 60.44.76... việc xây dựng sở liệu thông tin địa lý từ nội dung đồ địa hình tỷ lệ lớn (mà tỷ lệ 1: 2000), sản phẩm liệu địa lý có độ chi tiết độ xác đảm bảo để làm cho mục đích xây dựng hệ thông tin địa lý