7. Lời cảm ơn
1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP THÀNH LẬP BÀN ĐỒ ĐỊA HÌNH
Hình 1. 8: Sơ đồ các phương pháp thành lập bản đồ địa hình
Thành lập bản đồ địa hình ở Việt Nam có nhiều hướng [7, 9]:
- Thành lập bản đồ địa hình bằng phương pháp biên vẽ chuyển tiếp từ bản đồ địa hình tỷ lệ lớn hơn vừa mới đo vẽ kế cận và tỷ lệ nhỏ hơn.
- Thành lập bản đồ địa hình bằng phương pháp đo vẽ trực tiếp sử dụng ảnh hàng không hoặc ảnh vệ tinh.
Thành lập bản đồ địa hình bằng phương pháp biên vẽ chuyển tiếp từ bản đồ địa hình tỷ lệ lớn hơn vừa mới đo vẽ kế cận và tỷ lệ nhỏ hơn.
Thành lập bản đồ địa hình bằng phương pháp biên vẽ chuyển tiếp được tiến hành khi:
- Trên khu vực cần biên vẽ đã có bản đồ địa hình tỷ lệ lớn hơn kế cận kế cận mới được thành lập, đảm bảo độ tin cậy chính xác về cơ sở tốn học cũng như yêu cầu nội dung bản đồ theo quy định theo quy định quy phạm, ký hiệu hiện hành.
- Đặc điểm của phương pháp: dùng bản đồ tỷ lệ lớn đã có chuyển về tỷ lệ kế cận và thông qua việc biên vẽ kết hợp với tổng quát hóa, khái quát và nội dung trên bản đồ tỷ lệ lớn hơn về tỷ lệ nhỏ hơn kế cận đảm bảo dung lượng bản đồ hợp lý đúng theo quy phạm và ký hiệu hiện hành.
Hiện nay, việc thực hiện thành lập bản đồ bằng phương pháp biên vẽ hoàn toàn trên máy tính là chưa thực hiện được là bởi vì là cịn nhiều bất cập trong biên vẽ. Vì vậy quá trình tổng hợp, khái quát, lựa chọn thể hiện nội dung để lập bản vẽ hiện nay vẫn nằm trên giấy. Cịn lại các cơng đoạn khác đều thực hiện trên máy tính, cơng nghệ kết hợp được áp dụng khi tài liệu chính để thành lập bản đồ là các file bản đồ số cũ hoặc gốc mới hoặc cũng có thể là bản đồ giấy ở tỷ lệ lớn hơn. Sử dụng công nghệ kết hợp phổ biến hơn công nghệ truyền thống.
Ưu điểm: Công tác thành lập bản đồ được thực hiện nhanh chóng, đạt độ chính xác cao, cơng việc thành lập được tiến hành hồn tồn trong phịng nên triển khai công việc khá thuận tiện, chỉ cần sử dụng các phương tiện, dụng cụ truyền thống.
Nhược điểm: Phương pháp này chỉ thực hiện được ở khu vực cần thành lập đã có bản đồ địa hình tỷ lệ lớn hơn mới được thành lập hoặc mới hiệu chỉnh. Độ chính xác của bản đồ đã thành lập phụ thuộc vào độ chính xác của bản đồ tài liệu và phương pháp chuyển vẽ.
1.3.1 Phương pháp đo vẽ trực tiếp
Đo vẽ bản đồ địa hình là tập hợp các cơng việc trong nhà và ngồi trời nhằm xác định vị trí tương quan về mặt phẳng và độ cao của các điểm đặc trưng ở ngoài thực địa. Phương pháp này chủ yếu áp dụng cho khu vực cần thành lập bản đồ tỷ lệ lớn và lập sơ đồ hoặc phục vụ công tác thiết kế thi cơng cho từng cơng trình cụ thể. Tiến độ thi cơng chậm nhưng chính xác thích ứng với khu vực trên ảnh hàng không bị thực vật che phủ, phương pháp đo vẽ là toàn đạc, có sử dụng các máy kinh vĩ quang học, toàn đạc điện tử.
1.3.2 Phương pháp đo vẽ trực tiếp sử dụng ảnh hàng không và ảnh vệ tinh
Đây là công nghệ được sử dụng chủ yếu trong công nghệ thành lập bản đồ hiện nay. Từ nguồn tư liệu là ảnh máy bay kết hợp với mạng lưới trắc địa, tiến hành các cơng việc là địa hình, thủy văn, giao thông, dân cư, ranh giới, thực vật. Trong phương pháp này địa vật được thành lập chủ yếu dựa trên cơ sở giải đoán và đo vẽ hình ảnh của địa vật có trên ảnh. Q trình khái qt, lựa chọn tổng hợp nội dung được thực hiện phần lớn ở ngay khâu điều vẽ. Vì vậy cơng tác điều vẽ là cơng tác vô cùng quan trọng, công việc này địi hỏi người điều vẽ phải có sự hiểu biết về địa hình, địa vật cũng như các nguyên tắc khái quát, lựa chọn tổng hợp nội dung theo quy định của quy phạm và ký hiệu hiện hành.
Phương pháp đo ảnh tương tự: được thực hiện trên cơ sở sử dụng các tấm ảnh chụp bằng các máy chụp ảnh quang học để xây dựng lại mơ hình tương tự của đối tượng chụp và tiến hành đo đạc các yếu tố hình học của các đối tượng đó trên mơ hình, đây là một phương pháp kinh điển. Trước năm 2000 thì phương pháp đo ảnh tương tự được sử dụng phổ biến trong đo đạc vẽ bản đồ và ngày nay phương pháp gần như khơng cịn được sử dụng nữa.
- Phương pháp đo ảnh giải tích: về cơ bản thì phương pháp đo ảnh giải tích có cùng ngun lý và quy trình cơng nghệ với phương pháp đo ảnh tương tự. Nó khác nhau cơ bản là phương pháp đo ảnh giải tích lấy phương thức tính tốn để hiển thị điều kiện giao hội của các tia chiếu trong không gian thay cho phương thức giao hội
quang cơ của phương pháp đo ảnh tương tự. Phương pháp này có cơng thức tính tốn chặt chẽ và đạt độ chính xác cao. Ngày nay, ở Việt Nam vẫn còn một số cơ sở sản xuất vẫn sử dụng phương pháp đo ảnh giải tích.
- Phương pháp đo ảnh số: với nguyên lý cơ bản vẫn dựa theo phương pháp đo ảnh giải tích, biến đổi độ xám của ảnh thành các tín hiệu điện và sử dụng các máy tính, các phần mềm chuyên dụng để xử lý các tín hiệu này rồi tiến hành q trình tự động đo vẽ ảnh.
Phương pháp này cho ta tính tự động xử lý cao, nâng cao hiệu quả kinh tế trong việc đo vẽ bản đồ và đang được sử dụng phổ biến ở Việt Nam. Trong tương lai thì phương pháp đo ảnh số sẽ thay thế dần các phương pháp đo ảnh nêu trên.
Hiện nay, phương pháp thành lập bản đồ từ ảnh hàng không phổ biến theo công nghệ đo vẽ ảnh sử dụng trạm Image Station của Intergraph.
1.3.3 Thành lập bản đồ địa hình dạng tuyến trong các cơng trình giao thơng
1.3.3.1. Thu thập bản đồ tỷ lệ nhỏ lựa chọn hướng tuyến [7,10]
Thu thập bản đồ tỷ lệ nhỏ (1:50.000, 1:25.000 hay 1:10.000), nắn chỉnh về đúng hệ tọa độ địa phương theo quy định, xác định hướng tuyến phương án dự kiến chọn và các phương án so sánh.
Rà soát các quy định về yếu tố tuyến đường thỏa mãn về bình diện, độ dốc dọc, độ dốc ngang và các điều kiện liên quan trong phịng.
Đối chiếu hiện trường điều chỉnh và hồn thiện phương án tuyến.
1.3.3.2 Lập lưới khống chế cơ sở hạng IV
Trên cơ sở hướng tuyến sơ bộ dự kiến lựa chọn trên bản đồ tỷ lệ nhỏ. Đơn vị khảo sát tiến hành các bước triển khai chi tiết như sau:
- Đưa các điểm khống chế cơ sở cấp cao Nhà nước vùng lân cận dọc theo hướng tuyến dự kiến (tọa độ ĐCCS hạng III, độ cao từ hạng III trở lên) lên bản đồ.
- Bố trí sơ bộ hệ thống mốc khống chế mặt bằng và độ cao hạng IV dọc tuyến với mật độ đảm bảo khoảng cách làm cơ sở cho hệ thống mốc khống chế đường chuyền cấp 2 theo quy phạm không lớn hơn 15 cạnh giữa 2 điểm hạng IV.
- Bố trí hệ thống các mốc đường chuyền cấp 2 và độ cao kỹ thuật dọc tuyến theo dạng đường chuyền phù hợp, khoảng cách tuân thủ quy phạm 80m<S<350m và đảm bảo 15 cạnh khớp nối giữa 2 điểm hạng IV khống chế cơ sở.
- Toàn bộ hệ thống mốc hạng IV và đường chuyền cấp 2 được xác định tọa độ sơ bộ, sử dụng các công nghệ và thiết bị hiện có (GPS cầm tay, Google Earth) xác định vị trí các mốc lựa chọn ra hiện trường, điều chỉnh xê dịch nhỏ quanh vị trí dự kiến và tiến hành xây dựng mốc theo quy phạm đối với mỗi loại tại vùng ổn định, phù hợp khoảng cách tới hướng tuyến dự kiến.
- Tiến hành đo đạc và tính tốn bình sai đối với mỗi loại cấp hạng lưới:
+ Đối với lưới khống chế mặt bằng hạng IV đo bằng công nghệ GPS tĩnh và đo nối với điểm khống chế hạng III.
+ Đối với lưới khống chế độ cao hạng IV đo dẫn thủy chuẩn hạng IV và đo nối với các mốc độ cao Nhà nước khu vực từ hạng III trở lên.
+ Đối với lưới khống chế tọa độ đường chuyền cấp 2 đo bằng máy toàn đạc điện tử với gương trên giá ba chân có dọi tâm quang học và dùng các điểm hạng IV GPS làm điểm khởi tính cấp trên.
+ Đối với độ cao kỹ thuật dùng máy thủy bình dẫn độ cao và sử dụng độ cao các điểm hạng IV GPS làm điểm khởi tính cấp trên.
1.3.3.3 Lập bản đồ tuyến
Trên cơ sở hướng tuyến sơ bộ dự kiến lựa chọn trên bản đồ tỷ lệ nhỏ, hệ thống mốc khống chế các cấp đã lập. Đơn vị khảo sát tiến hành các bước triển khai chi tiết địa hình, địa vật, hiện trạng các cơng trình trên mặt đất với cách thức thể hiện:
Theo đúng yêu cầu kỹ thuật theo quy trình quy phạm khảo sát và cần đảm bảo để bình đồ thể hiện đầy đủ các nội dung sau đây:
+ Lưới khống chế mặt bằng và độ cao hạng IV, lưới đường chuyền cấp 2… + Địa giới hành chính phường (xã), quận (huyện), tỉnh (thành phố)… + Vị trí các đường giao cắt với tuyến đường khảo sát.
+ Các cơng trình nhân tạo quan trọng như: mương máng thuỷ lợi, yêu cầu ghi rõ mương tưới, tiêu, kích thước hình học tương ứng, điều tra và thể hiện mũi tên chỉ hướng nước chảy đối với tất cả hệ thống kênh mương thủy lợi, sông rạch tự nhiên.
+ Những địa vật quan trọng như: các di tích lịch sử, đền thờ, miếu, đình chùa, cây cổ thụ, nghĩa trang, nghĩa địa v.v…
+ Đối với các loại đường hiện có cần phải ghi đầy đủ chiều rộng nền, mặt đường và loại kết cấu áo đường và hướng đi của đường.
+ Các cơng trình nổi, ngầm: các đường cấp thoát nước, điện, xăng dầu, thơng tin tín hiệu …đối với các vị trí giao cắt thơng tin, điện lực; yêu cầu điều tra và ghi rõ các thông tin về loại điện giao cắt, vị trí giao cắt…và tĩnh khơng dây thấp với mặt đất tự nhiên, các thơng tin này được ghi chủ trên bình đồ, trắc dọc tuyến chính và lập bảng thống kê theo mẫu quy định.
+ Mật độ điểm tuân thủ theo qui trình, qui phạm (tỷ lệ của từng loại bình đồ) và đầy đủ địa hình thay đổi có kết hợp các điểm đo đạc trắc dọc, ngang tuyến vào bình đồ.
Tuân thủ quy tắc thể hiện các ký hiệu bình đồ được chỉ ra trong phương án kỹ thuật và cách thức trình bày của các quy định.
Bình đồ được khảo sát đo đạc theo một số phương pháp:
Trên cạn đo đạc theo phương pháp Toàn đạc với máy điện tử và gương sào, ghi nhận dữ liệu vào bộ nhớ thiết bị đo đạc, sổ sơ họa hoặc ghi chép đánh dấu ghi nhớ...
Dưới nước đo đạc theo phương pháp toàn đạc kết hợp giữa máy toàn đạc và máy đo sâu hồi âm, đối với các khe cạn có thể sử dụng phương pháp đo đạc trực tiếp từ máy và gương sào.
Đối với khu vực q khó khăn khơng sử dụng được phương pháp Tồn đạc thì bình đồ được đo đạc theo phương pháp động RTK.
Bình đồ trên các bản vẽ máy tính được thể hiện riêng biệt các loại đường nét theo qui định, các màu, lớp… thuận tiện cho công tác lập thiết kế.
1.4 TỔNG QUAN VỀ MƠ HÌNH SỐ ĐỊA HÌNH (DEM) 1.4.1. Khái niệm về DEM
Hình 1. 9: Mơ hình DEM dạng Raster
Bất kỳ sự biểu thị bằng số sự thay đổi liên tục của độ cao trong khơng gian đều được gọi là mơ hình số độ cao (Digital Elevation Model, DEM). Nó có thể là độ cao tuyệt đối của các điểm trên bề mặt quả đất, độ cao của các tầng đất, hoặc của mực nước ngầm. DEM còn nhiều tên gọi khác trong tiếng Anh như là Digital Terrain Model (DTM), Digital Terrain Data (TDD) và Digital Terrain Elevation Data (DTED). Ngoài ứng dụng để biểu thị địa hình, DEM cịn có thể được ứng dụng để thể hiện sự thay đổi liên tục trong khoảng không hai chiều của bất kỳ thông số môi trường khác nào [6].
DEM được lưu trữ khác nhau thùy thuộc vào kiểu số liệu là Raster hay Vector. DEM dạng Raster
Trong mơ hình Raster DEM (Grid): ma trận các ô vuông gồm các hàng và cột. Mỗi một ô (Cell) chứa giá trị độ cao của điểm trung tâm của ơ.
Hình 1. 10: DEM dạng Vector
Hình 1. 11: DEM dạng TIN
Trong cấu trúc Vector, DEM có thể được coi như là một tấm lưới tam giác không đều-TIN (Triangle Irregular Nework). TIN là tập hợp các đỉnh nối với nhau thành các tam giác, mỗ tam giác được giới hạn bởi 3 điểm xác định về giá trị x, y và z( độ cao).
Biểu diễn mơ hình TIN:
Hình 1. 12: Mơ hình TIN
Đặc điểm của mơ hình TIN
-TIN biểu diễn một bề mặt liên tục từ những tập hợp điểm rời rạc phân bố bất kì.
-TIN: tập hợp các điểm nối với nhau thành những tam giác- tạo nên bề mặt ba chiều.
- Một điểm bất kì thuộc vùng biểu diễn sẽ nằm trên đỉnh, cạnh hoặc trong một tam giác của lưới tam giác. Nếu một điểm khơng phải là đỉnh thì giá trị hình chiếu của nó có được từ phép nội suy tuyến tính ( của hai điểm khác nếu điểm này nằm trên cạnh hoặc của ba điểm nếu điểm này nằm trong tam giác).
- Mơ hình TIN là mơ hình tuyến tính trong khơng gian 3 chiều
Mơ hình TIN hiệu quả trong xây dựng bề mặt. Mật độ của điểm trên bề mặt tỷ lệ với độ biến đổi của địa hình. Những bề mặt phẳng tương ứng với mật độ điểm thấp và những địa hình đồi núi có mật độ điểm cao.
1.4.2. Phương pháp biểu thị DEM
Sự biến đổi giá trị độ cao địa hình trên một vùng đất có thể được mơ hình hóa theo nhiều cách. DEM có thể được biểu thị và lưu trữ dưới dạng hàm số toán học ba chiều (phương trình mặt phẳng) hay dưới dạng các điểm hoặc các đường hình ảnh như liệt kê ở bảng dưới:
Bảng 1. 3: Phương pháp biểu thị mặt cong địa hình
A. Phương pháp tốn học
Tồn vùng Dãy Fourier
Đa thức bậc bốn bội
Chi tiết Chia vùng đồng đều
Chia vùng không đồng đều
B. Phương pháp vật thể bản đồ Đường đồng mức (đường bình độ ngang)
Đường mặt cắt dọc
Điểm (ma trân độ cao) hay mạng lưới đều (Regular rectangular grid, GRID)
Vector: Mạng không đều tam giác (Triangualr irregualar network, TIN)
1.4.2.1. Phương pháp toán học
Phương pháp toán học để biểu thị mặt cong địa hình chủ yếu dựa vào các hàm số toán ba chiều và có khả năng mơ phỏng với độ nhẵn rất cao các mặt địa hình phức tạp. Phương pháp cục bộ chia vùng mô phỏng ra thành các miếng bé hình vng hoặc hình dạng tùy ý có diện tích tương tự nhau và độ cao của từng miếng sẽ được ước lượng dựa trên độ cao các điểm đã quang trắc trong miếng đó. Với mục đích bảo đảm sự liên tục của độ dốc qua đường biên giữa các miếng con thì người ta sử dụng các hàm số đối trọng (weighting functions). Các hàm số xấp xỉ rời rạc (piecewwise approximation) rất ít khi được sử dụng trong việc thành lập bản đồ số nhưng lại rất phổ biến trong hệ thống máy tính hỗ trợ thiết kế (CAD, computer added design).
1.4.2.2. Phương pháp vật thể bản đồ
Phương pháp sử dụng vật thể đường đầu tiên truyền thống trong bản đồ học để biểu diễn bề mặt địa hình là sử dụng đường bình độ hay còn gọi là đường đồng mức. Mọi điểm nằm trên cùng một đường đồng mức sẽ có cùng một giá trị độ cao.
Phương pháp sử dụng mặt cắt dọc để biểu diễn độ cao được sử dụng thuận tiện để phân tích độ dốc vùng nghiên cứu. Tuy nhiên, như đã đề cập ở trên, hai phương pháp sử dụng đường trên không thuận tiện cho mục đích phân tích dữ liệu trong GIS. Vì vậy phương pháp chung nhất trong hệ GIS là sử dụng mơ hình lưới đều