Xây dựng cơ sở dữ liệu nền địa lý tỷ lệ 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT ĐÀO THỊ NGA XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU NỀN ĐỊA LÝ TỶ LỆ 1/2000 TỪ DỮ LIỆU ẢNH SỐ VÀ LIDAR KHU VỰC THÀNH PHỐ BẮC GIANG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2010 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tác giả luận văn Đào Thị Nga LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn tác giả xin chân thành cảm ơn thầy, cô giáo Ban giám hiệu, Phòng Đại học sau đại học, Khoa Trắc địa, Bộ môn Đo ảnh Viễn thám – Trường Đại học Mỏ – Địa chất; cảm ơn bạn đồng nghiệp Xí nghiệp Tài ngun Mơi trường I tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tác giả trình nghiên cứu Tác giả xin chân thành cảm ơn bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS Trần Đình Luật tận tình hướng dẫn, bảo tác giả suốt trình nghiên cứu thực nghiệm luận văn Đề tài luận văn lĩnh vực phức tạp, thời gian nghiên cứu khơng nhiều, trình độ kiến thức kinh nghiệm thân cịn có hạn, luận văn khơng tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận ý kiến đóng góp quý báu chuyên gia, thầy, cô giáo bạn đồng nghiệp để kết luận văn hoàn thiện có tính ứng dụng cao hơn, hiệu Tác giả luận văn Đào Thị Nga MỤC LỤC Trang bìa phụ Lời cam đoan Lời cảm ơn Mục lục Danh mục chữ viết tắt Danh mục bảng Danh mục hình vẽ MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ 1.1 Tổng quan hệ thống thơng tin địa lí 1.2 Các thành phần GIS 1.3 Cấu trúc sở liệu GIS 13 1.4 Các đặc điểm hệ thống thông tin địa lý - GIS 20 1.5 Xử lý thông tin đồ GIS 22 CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ LIDAR, ẢNH SỐ VÀ CƠ SỞ DỮ LIỆU NỀN ĐỊA LÝ 31 2.1 Công nghệ LiDAR chụp ảnh số 31 2.2 CSDL địa lý 41 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG CSDL NỀN THÔNG TIN ĐỊA LÝ TỶ LỆ 1/2000 TỪ DỮ LIỆU BAY CHỤP ẢNH SỐ VÀ QUÉT LIDAR 50 3.1 Giải pháp công nghệ xây dựng CSDL thông tin địa lý tỷ lệ 1/2000 từ sản phẩm công nghệ LiDAR kết hợp với chụp ảnh số 50 3.2 Quy trình cơng nghệ 52 CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU NỀN THÔNG TIN ĐỊA LÝ Ở TỶ LỆ 1/2000 KHU VỰC THÀNH PHỐ BẮC GIANG 79 4.1 Khái quát nhiệm vụ, tình hình, đặc điểm khu vực cần nghiên cứu 79 4.2 Thông tin ảnh chụp quét LiDAR, tư liệu đồ thành phố Bắc Giang 81 4.3 Giới thiệu tiện ích phục vụ xây dựng CSDL địa lý 85 4.4 Xây dựng mơ hình cấu trúc CSDL thơng tin địa lý 1: 2000 90 4.5 Xây dựng đối tượng địa lý từ kết xử lý ảnh số liệu quét LiDAR (dữ liệu gồm bình đồ trực ảnh DTM) 93 4.6 Gán thơng tin thuộc tính cho ĐTĐL 96 4.7 Chuyển đổi liệu địa lý gốc từ khuôn dạng DGN sang khuôn dạng Geodatabase 98 4.8 Xây dựng Metadata 99 4.9 Kết thực nghiệm 99 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 101 Kết luận: 101 Kiến nghị: 102 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ 103 TÀI LIỆU THAM KHẢO 104 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Viết đầy đủ CSDL Cơ sở liệu DEM Digital Elevation Model DGPS Differential Global Positioning System DLĐL Dữ liệu địa lý DSM Digital Surface Model ĐTĐL Đối tượng địa lý DTM Digital Terrain Model EO Exterior Orientation GIS Geographic Information System GPS Global Positioning System IMU Inertial Measurement Unit INS Inertial Navigation System ISO International Standard Organization LiDAR Light Detection And Ranging OGC Open GIS Consortium TIN Triangulated Irregular Network W3C World Wide Web Consortium DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 2.1 Các đặc tính cảm biến Laser 34 Bảng 2.2 Bảng mơ tả thành phần mơ hình cấu trúc nội dung 47 DLĐL DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1 Mơ tả lớp thông tin giới thực Hình 1.2 Các thành phần GIS Hình 1.3 Dữ liệu khơng gian lớp thơng tin 24 Hình 2.1 Sơ đồ tổng quan hệ thống Lidar 33 Hình 2.2 Mơ hình thu ảnh 37 Hình 2.3 Máy chụp ảnh số hàng khơng (DMC) hãng Intergraph 38 Hình 2.4 Máy ảnh UltraCam hãng Vexcel Imaging (Áo) 39 Hình 2.5 Cấu hình kênh chụp ảnh máy ảnh ADS40 40 Hình 2.6 Mơ hình cấu trúc nội dung DLĐL 46 Hình 3.1 Quy trình thành lập CSDL địa lý từ liệu bay chụp ảnh 52 số quét LiDAR Hình 4.1 Hệ thống phần mềm ArcGIS 85 Hình 4.2 Các Menu phần mềm ETmagis 86 Hình 4.3 Mơ hình cấu trúc CSDL(Geodatabase) 89 Hình 4.4 Quy định phân loại đối tượng địa lý 2N5N 93 Hình 4.5 Chức Tách lọc liệu phần mềm ETmagis 95 Hình 4.6 Chức Tạo tim đường phần mềm ETmagis 96 Hình 4.7 Chức Gán thơng tin thuộc tính phần mềm ETmagis 97 Hình 4.8 Chức Gán thơng tin từ tệp phần mềm ETmagis 98 Hình 4.9 Chuyển liệu từ môi trường đồ họa(.dgn) sang môi trường 99 GIS(.mdb) Hình 4.10 Dữ liệu thơng tin địa lý (khuôn dạng *.dgn) môi 100 trường Microstation Hình 4.11 Dữ liệu thơng tin địa lý (khuôn dạng *.mdb) môi trường GIS 100 -1- MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài: Trong năm gần khoa học công nghệ ngày phát triển đặc biệt công nghệ tin học thúc đẩy phát triển hầu hết ngành khoa học, có ngành đo đạc đồ Sự phát triển mạnh mẽ kỹ thuật tính tốn cơng nghệ điện tử, laser cộng với phát triển ngày hoàn thiện lý thuyết đo ảnh thập kỷ gần cho đời phương pháp đo ảnh phương pháp đo ảnh số đặc biệt gần công nghệ quét LiDAR Ưu điểm hai phương pháp liệu đầu vào xử lý nhanh chóng có chất lượng với tự động hóa cho sản phẩm đa dạng khả cập nhật thơng tin nhanh, quản lí, lưu trữ thuận lợi dễ dàng Hệ thông tin địa lý (GIS- Geographic Information System) hệ thống thu nhận lưu trữ, phân tích, quản lý, hiển thị, cập nhật thơng tin gắn liền với vị trí khơng gian đối tượng bề mặt trái đất GIS ngày ứng dụng rộng rãi nhiều ngành kinh tế - xã hội, an ninh quốc phòng, nghiên cứu khoa học, quản lý, quy hoạch bảo vệ tài nguyên thiên nhiên môi trường Cơ sở liệu (CSDL) thông tin địa lý hợp phần trọng tâm hệ thơng tin địa lý Nó bao gồm chuẩn liệu không gian chuẩn liệu thuộc tính gắn kết chặt chẽ với theo quy luật Cơ sở liệu địa lý 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 hố, cập nhật trao đổi qua dịch vụ truyền tin đại Định dạng mở, không phụ thuộc vào phần mềm gia công liệu - 91 - Cấu trúc CSDL địa lý bao gồm gói liệu: • Cấu trúc gói liệu Cơ sở đo đạc: • Cấu trúc gói liệu Biên giới địa giới: • Cấu trúc gói liệu Dân cư sở hạ tầng - 92 - • Cấu trúc gói liệu Địa hình: • Cấu trúc gói liệu Giao thơng: • Cấu trúc gói liệu Phủ bề mặt: - 93 - • Cấu trúc gói liệu Thủy hệ: 4.5 Xây dựng đối tượng địa lý từ kết xử lý ảnh số liệu quét LiDAR (dữ liệu gồm bình đồ trực ảnh DTM) 4.5.1 Chuẩn hóa hình học Sau hồn thiện khâu điều tra thông tin ĐTĐL cần tiến hành vector hóa 3D cập nhật đầy đủ thơng tin từ kết điều tra ngoại nghiệp Hình 4.4 Quy định phân loại đối tượng địa lý 2N5N - 94 - Tồn thơng tin điều tra thực địa véc tơ hoá theo qui định thống danh mục đối tượng địa lý tổ chức file liệu Cụ thể: + Gán Cell tương ứng vào trung tâm đồ hình đối tượng để phân loại Ví dụ đặt cell vào đồ hình nhà khối nhà… Nếu đối tượng địa lý nhà khối nhà khn viên đối tượng cell đặt lọt bên diện tích đối tượng Các thơng tin thuộc tính khác dạng Text TextNode cần bắt (Snap) vào tâm Cell để đảm bảo độ xác thơng tin Nếu thơng tin gồm nhiều thành phần (theo qui định thể nội dung đồ thường có dạng phân số, ví dụ thơng tin dài, rộng, trọng tải cầu ) thơng tin thuộc tính cần biểu thị dạng textnode với trình tự loại thơng tin định tính, định lượng phải thống + Những đối tượng dạng đường nét như: Giao thông, thuỷ văn, số hoá phân loại theo danh mục đối tượng kí hiệu dạng đường Listyle, lớp, màu, lực nét theo qui định thống + Những đối tượng dạng ghi chú: địa danh, sơn văn, thuỷ văn (không thuộc nhóm thơng tin thuộc tính đối tượng địa lý) thường tên gọi cho khu vực dân cư, núi, đảo cần biểu thị vào trung tâm khu vực theo quy định cụ thể cho loại ghi Cách ghi chú: Xoay tương đối theo hướng đối tượng vị trí Text phải bắt xác đỉnh khác đầu cuối đoạn dòng chảy + Điểm khống chế trắc địa đưa lên file số theo quy định: Ghi cho tên điểm, ghi dạng phân số (Độ cao mặt mốc, độ cao mặt đất) điểm khống chế trắc địa theo dạng text - 95 - 4.5.2 Tổ chức (file) tệp liệu Từ file liệu tổng cập nhật theo quy định, tổ chức file liệu tiến hành tách file nhờ mềm Etmagis chạy Microstation Bao gồm file liệu: Cơ sở Địa hình Địa giới tỉnh Giao thơng Địa giới huyện Phủ bề mặt Địa giới xã Thủy Hệ Dân cư 10 Tim đường Các file tách từ file tổng nhờ chức Tách lọc liệu Menu GIS phần mềm Etmagis Hình 4.5 Chức Tách lọc liệu phần mềm ETmagis Riêng file Tim đường tạo từ đường giao thông nét nhờ chức Tạo tim đường Menu Tiện ích phần mềm ETmagis - 96 - Hình 4.6 Chức Tạo tim đường phần mềm ETmagis File Địa hình đường bình độ nội suy từ file độ cao với mật độ điểm dầy đặc (sản phẩm LiDAR) Đây rõ ràng điểm khác biệt lớn ưu điểm mạnh công nghệ LiDAR so với công nghệ ảnh số 4.6 Gán thơng tin thuộc tính cho ĐTĐL 4.6.1 Ngun tắc chung Để thực hiên công đoạn gán thông tin cho ĐTĐL trước hết độ xác phải đảm bảo giữ nguyên gốc không khái quát, xê dịch, lấy bỏ, chỉnh sửa,…Về mặt hình học đối tượng địa lý phải làm sạch(xoá bỏ đầu thừa, đầu thiếu), đảm bảo quan hệ hình học loại đối tượng quan hệ loại đối tượng theo qui định theo mơ hình cấu trúc liệu theo chuẩn, mặt thuộc tính đối tượng địa lý phải chuẩn hóa theo kết điều tra thực địa cho lớp, gói liệu địa lý dựa vào thuộc tính đồ hoạ như: lớp, màu, lực nét, kiểu kí hiệu, ghi cho loại đối tượng phục vụ đóng gói CSDL địa lý 4.6.2 Phương pháp gán thuộc tính cho đối tượng địa lý Trước tiên sử dụng chức Quản lý lược đồ Menu Hệ thống để tạo lớp thông tin theo chuẩn liệu địa lý - 97 - Sau sử dụng chức Quản lý lớp thơng tin Menu GIS để khởi tạo thuộc tính cho lớp thơng tin Sau khởi tạo thuộc tính cho lớp thông tin tiến hành gán thông tin thuộc tính cho ĐTĐL Etmagis hỗ trợ chức gán thơng tin thuộc tính cho ĐTĐL: • Gán thơng tin thuộc tính: Chức cho phép gán thơng tin thuộc tính cho tất đối tượng lớp thông tin lựa chọn từ nguồn liệu khác nhau: - Từ ghi đồ - Từ thể đồ - Cùng giá trị - Gán độ cao Hình 4.7 Chức Gán thơng tin thuộc tính phần mềm ETmagis • Gán thơng tin từ tệp: Chức cho phép gán thông tin thuộc tính cho tất đối tượng lớp thông tin lựa chọn từ nguồn liệu tồn dạng txt - 98 - Hình 4.8 Chức Gán thông tin từ tệp phần mềm ETmagis 4.7 Chuyển đổi liệu địa lý gốc từ khuôn dạng DGN sang khuôn dạng Geodatabase Dữ liệu địa lý sau chuẩn hóa gán thuộc tính tiến hành chuyển tồn liệu từ mơi trường đồ họa (định dạng DGN) sang môi trường GIS (định dạng MDB) cho bảo lưu 100% độ xác đối tượng địa lý biên tập môi trường đồ họa tận dụng triệt để thơng tin thuộc tính kèm Nhập liệu vào gói thiết kế phần mềm EkconvertDGNtoGDB Chương trình chuyển đổi đồng thời liệu khơng gian thuộc tính từ mơi trường đồ họa sang mơi trường GIS - 99 - Hình 4.9 Chuyển liệu từ môi trường đồ họa(.dgn) sang môi trường GIS(.mdb) 4.8 Xây dựng Metadata: Nhập vào thông tin mô tả phạm vi địa lý, cấu trúc, nội dung chất lượng liệu đồng thời chứa đựng thông tin khả tiếp cận liệu như: quan sản xuất CSDL địa lý, thời gian làm liệu, CSDL địa lý xây dựng từ nguồn liệu nhằm mục đích tạo nguồn CSDL cung cấp thơng tin liên quan đến q trình thiết kế, xây dựng, kiểm tra, cập nhật phân phối liệu Việc xây dựng khai thác sử dụng CSDL phục vụ cho công tác lập quy hoạch cơng tác quản lý vĩ mơ vấn đề có liên quan phạm vi xã, phường thành phố Bắc Giang 4.9 Kết thực nghiệm Với đầu vào liệu xử lý ảnh chụp quét LiDAR khu vực thành phố Bắc Giang gồm bình đồ trực ảnh DTM cho sản phẩm: - Dữ liệu địa lý gốc tỷ lệ 1: 2000 khuôn dạng DGN - 100 - - Dữ liệu thông tin địa lý 1: 2000 khn dạng Geodatabase Hình 4.10 Dữ liệu thông tin địa lý (khuôn dạng *.dgn) mơi trường Microstation Hình 4.11 Dữ liệu thơng tin địa lý (khuôn dạng *.mdb) môi trường GIS - 101 - KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ * Kết luận: CSDL địa lý tập hợp thông tin không gian thơng tin thuộc tính đối tượng địa lý bề mặt trái đất CSDL địa lý có tổ chức, cấu trúc nội dung hợp lý, có mối quan hệ tương quan lưu trữ đơn vị thống đảm bảo phục vụ cho việc xây dựng hệ thống thông tin địa lý chuẩn thống nước đáp ứng cho nhu cầu tra cứu, truy nhập thông tin ngành địa phương hoạt động kinh tế - xã hội Vì vậy, việc xây dựng CSDL thông tin địa lý việc làm cấp thiết, đặc biệt vùng đô thị khu kinh tế trọng điểm Qua kết nghiên cứu thực nghiệm tác giả xin đưa số kết luận sau: - Phương pháp ứng dụng công nghệ LiDAR tích hợp với máy ảnh số với tăng cường xử lý tự động xác định vị trí khơng gian đối tượng cho kết có độ xác cao đảm bảo độ tin cậy phục vụ xây dựng CSDL địa lý cung cấp sản phẩm thời gian ngắn - Kết nghiên cứu khảo sát đề tài xây dựng CSDL địa lý 1/2000 khu vực thành phố Bắc Giang hồn tồn đảm bảo độ xác mức độ chi tiết làm sở cho việc xây dựng hệ thống thông tin địa lý tỷ lệ 1/2000 - Kết nghiên cứu xây dựng CSDL địa lý 1/2000 đưa vào ứng dụng chuyên đề như: + Biên tập đồ địa hình tỷ lệ + Ứng dụng lớp thông tin để xây dựng đồ giao thông đô thị gắn kết với hệ thống định vị toàn cầu phục vụ dẫn đường GPS - 102 - + Ứng dụng xây dựng đồ quy hoạch đô thị, đồ du lịch, đồ trạng sử dụng đất nhiều dạng đồ chuyên đề khác * Kiến nghị: - Xây dựng CSDL từ kết xử lý LiDAR chụp ảnh số lĩnh vực mới, phạm vi thực nghiệm luận văn chắn khơng tránh khỏi thiếu sót bất cập công tác xây dựng CSDL diện rộng, cần tiếp tục thực khu vực thị khác để hồn thiện quy trình nội dung CSDL địa lý tỷ lệ 1/2000 - Tiếp tục nghiên cứu khả cơng nghệ để nâng cao độ xác đáp ứng cho việc xây dựng CSDL địa lý tỷ lệ lớn - Cần trọng đến việc đào tạo phổ cập rộng rãi việc sử dụng, khai thác CSDL địa lý công tác quản lý ứng dụng phát triển kinh tế – xã hội góp phần thắng lợi cơng cơng nghiệp hóa, đại hóa đất nước - 103 - DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ Đào Thị Nga (09/2010), “Giải pháp công nghệ xây dựng sở liệu thông tin địa lý từ sản phẩm cơng nghệ LiDAR tích hợp với máy ảnh số”, Tạp chí Khoa học Đo đạc Bản đồ, số - 104 - TÀI LIỆU THAM KHẢO Bộ Khoa học Công nghệ Môi trường (1999), Cấu trúc sở liệu hệ thống thông tin địa lý Quốc gia môi trường Bộ Tài nguyên Môi trường (2007), Quy định áp dụng chuẩn thông tin địa lý sở quốc gia Bộ Tài nguyên Môi trường, Danh mục đối tượng địa lý tỷ lệ 1/2000, 1/5000 Công ty Đo đạc ảnh Địa hình (2008), Đánh giá chất lượng bình đồ ảnh số mơ hình số địa hình thực hệ thống tích hợp máy ảnh số LiDAR Cơng ty TNHH tin học eK (2006), Chương trình đào tạo GIS cho người xây dựng liệu địa lý Công ty TNHH tin học eK (2008), Hướng dẫn sử dụng chương trình xây dựng liệu địa lý Microstation Cục Đo đạc Bản đồ Nhà nước (1999), Quy phạm đo vẽ đồ địa hình tỷ lệ 1/500, 1/1.000, 1/2.000,1/5.000 - 96TCN 43-90 (phần trời) Cục Đo đạc Bản đồ Nhà nước (1999), Quy phạm thành lập đồ địa hình tỷ lệ 1/500, 1/1.000, 1/2.000, 1/5.000, 1/10000, 1/25000 - (phần nhà) Cục Đo đạc Bản đồ Việt Nam (2009), Thiết kế kỹ thuật – dự toán Thành lập sở liệu thông tin địa lý tỷ lệ 1:2000 khu vực TP Bắc Ninh, TP Bắc Giang, TX Hưng Yên 10 Lê Tiến Vương (2006), Xây dựng sở liệu tích hợp tài nguyên môi trường - 105 - 11 Nguyễn Đình Minh (1997), Giáo trình hệ thống thơng tin địa lý, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội 12 Nguyễn kim Anh (2002), Nguyên lý hệ sở liệu, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội 13 Nguyễn Trường Xuân (2000), Một số kiến thức hệ thống thông tin địa lý, Trường Đại học Mỏ – Địa chất, Hà nội 14 Nguyễn Tuấn Anh, Tăng Quốc Cương, Đặng Thái Hùng, Lê Minh (2007), Ứng dụng hệ thống tích hợp máy ảnh số cỡ trung bình với LiDAR Việt Nam, Đặc san Viễn thám Địa tin học 15 NXB Giao thông vận tải (1999), Cơ sở hạ tầng giao thông Việt Nam 16 Phạm Vọng Thành (2000), Bài giảng sở hệ thống thông tin địa lý, Dành cho học viên cao học ngành đồ, Trường Đại học Mỏ – Địa chất, Hà nội 17 Toposys manual, (2008), Harrier56-LiDAR Processing – Toposys GmbH Germany ... tin địa lý tỷ lệ 1/ 2000 • Nghiên cứu quy trình kỹ thuật xử lý liệu LiDAR ảnh số phục vụ làm CSDL thơng tin địa lý tỷ lệ 1/ 2000 • Nghiên cứu quy trình xây dựng CSDL thơng tin địa lý tỷ lệ 1/ 2000... thông tin địa lý tỷ lệ 1/ 2000 từ sản phẩm công nghệ LiDAR kết hợp với chụp ảnh số 50 3.2 Quy trình cơng nghệ 52 CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU NỀN THÔNG TIN ĐỊA LÝ Ở TỶ LỆ 1/ 2000... 31 2.2 CSDL địa lý 41 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG CSDL NỀN THÔNG TIN ĐỊA LÝ TỶ LỆ 1/ 2000 TỪ DỮ LIỆU BAY CHỤP ẢNH SỐ VÀ QUÉT LIDAR 50 3 .1 Giải pháp công nghệ xây dựng CSDL