5. Cấu trúc luận văn
2.1.4. Các phương pháp thu thập dữ liệu cho GIS
Có nhiều phương pháp thu thập dữ liệu cho GIS, có thể liệt kê một số phương pháp như sau
- Đo đạc thực địa: Việc đo đạc thực địa nhằm thu thập dữ liệu không gian thành lập bản đồ và là dữ liệu đầu vào cho GIS phục vụ phân tích không gian.
- Sử dụng GPS (Global Positioning System- Hệ thống định vị toàn cầu) vừa thu thập dữ liệu không gian vừa thu thập dữ liệu thuộc tính cho GIS. Công nghệ GPS ngày càng hiện đại ngoài việc thu thập dữ liệu không gian và thuộc tính còn cho phép chụp ảnh, quay video các đối tượng mặt đất,...
- Phương pháp điều tra thực địa: Thu thập số liệu thuộc tính cho các đối tượng mặt đất phục vụ thống kê, phân tích đánh giá.
- Phương pháp viễn thám là một trong những phương pháp quan trọng để thu thập dữ liệu cho GIS. Từ tư liệu viễn thám người dùng có thể chiết xuất thông tin nhập vào GIS phân tích đánh giá và đưa ra các loại bản đồ chuyên đề.
Đề tài sử dụng ảnh vệ tinh GeoEye là nguồn tư liệu viễn thám cho giải đoán, xây dựng cơ sở dữ liệu gis3D
Hình 2.4. Vệ tinh GeoEye
Đi vào quỹ đạo: GeoEye-1 nặng 4.400 pound (khoảng 1.641kg) sẽ bay lên không gian cách mặt đất 425 dặm nhờ tên lửa đẩy Delta 2 tại căn cứ Không lực
30
Vandenberg gần Lompoc, California. Trong suốt thời gian 7 năm tồn tại, vệ tinh sẽ có thể điều chỉnh quỹ đạo 60 dặm so với mực nước biển. Đây là điều sẽ cần phải làm để duy trì ổn định việc quan sát trái đất bởi sự lôi kéo của khí quyển và áp lực từ các cơn gió mặt trời sẽ đẩy vệ tinh đi xuống dần.
Nhận mệnh lệnh: Những người vận hành GeoEye gửi các chỉ thị về thời điểm và nội dung thực hiện việc chụp ảnh từ một trong 4 trạm mặt đất tại: Alaska, Virginia, Norway và Antarctica. Mặc dù vậy, vệ tinh cũng sẽ được sử dụng cho mục đích thương mại, tất cả các tín hiệu truyền dẫn đều được mã hóa do Cơ quan quản lý Khí quyển và Đại dương quốc gia (National Oceanic & Atmospheric Administration) của Mỹ quy định.
Xác định vị trí chính xác: GeoEye-1 là vệ tinh phi quân sự đầu tiên sử dụng các đơn vị GPS cấp độ quân sự, những thiết bị có độ chính xác cao sẽ cho biết vị trí chính xác của vệ tinh trên bầu trời. Hai bộ phận định vị theo các ngôi sao sẽ xác định vị trí và góc ngắm của camera dựa trên tọa độ của các ngôi sao đã biết. Sự kết hợp đó giúp cho hệ thống này có thể định vị được vị trí vật thể trong khu vực rộng 9 bộ (khoảng 2,7m) trên mặt đất, chính xác gấp 1,5lần so với các vệ tinh trước đó.
Điều chỉnh ống kính: Khi vệ tinh đang bay trên mục tiêu - ví dụ một tòa nhà tại thành phố New York hay một vùng tổn thương lớn tại cánh rừng nhiệt đới ở Brazil - các con quay hồi chuyển sẽ hướng ống kính về phía đối tượng. Khi vệ tinh tới gần vị trí lý tưởng, các con quay hồi chuyển sẽ đảo chiều để tạm dừng sự quay tròn của vệ tinh và hướng thẳng camera đến mục tiêu.
Lấy sáng: Kiểm soát mặt đất sẽ tính toán góc của mặt trời và góc của vệ tinh với Trái đất để tính toán thời gian mở ống kính. Bởi độ phân giải 16 insơ của ống kính vệ tinh phụ thuộc rất lớn vào độ chính xác hình của dạng và khoảng cách của các thấu kính, nên các thấu kính này được bọc kín trong một ống với nhiệt độ luôn ở 75oF nhằm ngăn cho chúng không bị cong vênh trước nhiệt độ thay đổi với biên độ rất rộng trong không gian. Nắp đậy ống kính chỉ mở khi camera đã sẵn sàng để chụp ảnh.
31
Chụp ảnh: Cứ 2 giây một lần, máy ảnh sẽ quét mục tiêu theo một dải ảnh. Điều này cho phép vệ tinh dễ dàng có được bức ảnh với 90 tỷ điểm ảnh (khoảng 6.000 dặm vuông) trong vòng 2 phút. Một bộ xử lý dữ liệu sẽ nén các file ảnh và lưu giữ chúng trong một ổ cứng bán dẫn dung lượng 1 terabyte (tương đương 1.024 Gigabyte)
Truyền dữ liệu: GeoEye-1 có thể bắt hình một khu vực rộng bằng cả bang Texas mỗi ngày. Nó sẽ gửi về các bức ảnh đã được mã hóa xuống các trạm mặt đất 40 lần/ngày bằng sóng vô tuyến. Khi GeoEye-1 chắp nối các dải ảnh thành các bức ảnh hoàn chỉnh, chúng sẽ được gửi đến những khách hàng bao gồm cả Google Earth và những quốc gia bị hạn chế hoặc không có vệ tinh quan sát cũng như Cơ quan Tình báo địa không gian quốc gia của Hoa Kỳ - khách hàng chủ yếu của GeoEye.
có các tham số kỹ thuật của vệ tinh Ngày phóng 6/9/2008
Chế độ Camera • Toàn sắc và đa phổ • Toàn sắc
• Đa phổ
Độ phân giải 0.41 m với kênh toàn sắc 1.65 m với kênh đa phổ Bước sóng Toàn sắc: 450 - 800 nm
Blue: 450 - 510 nm Green: 510 - 580 nm Red: 655 - 690 nm
Near Infra Red: 780 - 920 nm Tần suất lặp lại ở độ
cao 684 km
Độ phân giải lớn nhất với kênh toàn sắc Pan (m) Góc chụp (độ) Tần suất lặp lại (ngày) 0.42 10 8.3 0.50 28 2.8 0.59 35 2.1
32
2.2. Cơ sở dữ liệu GIS 3D 2.2.1. Khái niệm CSDL
Cơ sở dữ liệu (CSDL) là toàn bộ những thông tin cần thiết về đối tượng được lưu giữ dưới dạng số. CSDL có thể là không gian hoặc phi không gian. Hệ thống quản lý CSDL (Database management System - DBMS) là tập hợp một số chức năng của phần mềm để lưu giữ, bổ sung và thể hiện dữ liệu . Các hệ thống quản lý cơ sở dữ liệu phi không gian hoặc không gian thường tách biệt nhau. Cũng có một số phần mềm tổ chức kết hợp để quản lý cả hai dạng dữ liệu hoặc cung cấp khả năng liên kết với các phần mềm CSDL khác. Chương trình này sẽ tập trung giới thiệu các cấu trúc dữ liệu chính là cấu trúc phân nhánh, chia nhỏ và cấu trúc mạng. Ngoài ra, các dữ liệu thuộc tính phi không gian trong mối liên hệ với các thuộc tính không gian cũng được đề cập đến. Cấu trúc dữ liệu không gian là sự tổ chức tư liệu không gian dưới một khuôn dạng phù hợp với máy tính. Cấu trúc của dữ liệu phải được tổ chức để có sự liên hệ giữa các mô hình dữ liệu và các khuôn dạng (format) dữ liệu. Thực tế, giữa khái niệm mô hình và cấu trúc dữ liệu ít có sự phân biệt. Tuy nhiên khái niệm mô hình được sử dụng ở phạm vi nguyên lý từ khái quát đến cụ thể, còn cấu trúc là khái niệm mang tính chất kỹ thuật và minh hoạ một cách hệ thống về bản chất và sự liên hệ giữa các thành phần của CSDL.
2.2.2. Ưu điểm của CSDL
Ưu điểm của CSDL là tối thiểu hóa dư thừa dữ liệu, đảm bảo tính nhất quán và toàn vẹn dữ liệu, truy xuất dữ liệu theo nhiều cách khác nhau, nâng cao chia sẻ dữ liệu, có tính bảo mật và an toàn dữ liệu cao.
Trong GIS khái niệm CSDL có thể hiểu là một tập hợp các dữ liệu ở dạng vector, raster, bảng số liệu, văn bản, hình ảnh, âm thanh, đoạn phim được lưu giữ theo khuôn dạng nhất định, có cấu trúc chuẩn sao cho các phần mềm máy tính cỏ thể đọc, xử lý phân tích các bài toán chuyên đề có mức độ phức tạp khác nhau.
2.2.3. Mô hình và cấu trúc dữ liệu
2.2.3.1. Mô hình dữ liệu
33 - Thành phần không gian
- Thành phần phi không gian - Mã hóa
- Quan hệ Topology
Trong đó, mã khóa là mã số duy nhất cho thực thể, đặc trưng duy nhất cho thực thể. để phân biệt thực thể này với thực thể khác.
Định vị, xác định vị trí thực tể của thực thể trên thực tế, thông thường người ta hay dùng các hệ tọa độ để xác định tọa độ thực thể. Có nhiều hệ tọa độ khác nhau.
Thành phần phi không gian là thành phần chửa số liệu về thuộc tính của thực thể. các thuộc tính này cỏ thể là định lượng hoặc định tính, có các kiểu dữ liệu là ghi danh, chi sổ, khoảng, tỉ lệ.
Dữ liệu không gian được xây dựng trên cơ sở toán học của bản đồ và các lớp thông tin địa kỹ thuật, gồm các loại đối tượng khác nhau của các nhóm thông tin. Các lớp thông tin được gắn chỉ số ID cùng tên và hệ thống mã khóa chính, phụ và phương thức truy nhập thông tin, phương thức thiết lập các trường, các minh họa và dẫn giải cho từng loại thông tin phục vụ cho người sử dụng.
2.2.3.2. Cấu trúc hệ thống dữ liệu Gồm Hồ sơ dữ liệu và Cơ sở dữ liệu Gồm Hồ sơ dữ liệu và Cơ sở dữ liệu
Hồ sơ dữ liệu (Metadata) được xem là “Dữ liệu về dữ liệu” nhằm lưu giữ những thông tin về bản thân dữ liệu. Hồ sơ dữ liệu là một trong những thông tin quan trọng trong ứng dụng GIS. Việc chuyển giao cơ sở dữ liệu GIS sẽ được thực hiện dễ dàng trên cơ sở dữ liệu được gắn liền với hồ sơ dữ liệu. Hiện nay, với sự phát triển mạnh của khoa học kỹ thuật thi việc ứng dụng GIS trong ngành mình là rất cần thiết, nhu cầu trao đổi dữ liệu giữa các ngành vói nhau và trong nội bộ từng ngành là rất lớn, do đó việc xây dựng hồ sơ dữ liệu đã được đặt ra là nhu cầu thiết yếu. Việc xây dựng hồ sơ dữ liệu cần được tiến hành theo tiêu chuẩn nhất định, trong đó lưu ý quy định rõ các thông tin cần thể hiện và các cách thể hiện các thông tin đó.
34
Cơ sở dữ liệu không gian và cơ sở dữ liệu thuộc tính là cốt lối của GIS. Đe cho dữ liệu GIS được ứng dụng hiệu quả cần phải được tổ chức tốt và có chất lượng tốt. Việc đánh giá chất lượng của dữ liệu GIS được đánh giá trên cơ sở các chuẩn dữ liệu. Việc tuân thủ các chuẩn dữ liệu của một cơ sở dữ liệu GIS là nhằm để đồng bộ các dữ liệu không gian được sừ dụng trong các ứng dụng.
Cơ sở dữ liệu có cấu trúc rất phức tạp, gồm cả các thông tin về vị trí, khả năng liên kết địa hình và thuộc tính các đối tượng. Để thuận tiện trong quá trình truy nhập dữ liệu thì dữ liệu phải được tổ chức theo một dạng cấu trúc nào đó (dạng cấu
trửc phần cẨp. cáu trúc màng, cấu trúc quan hệ). Cho đù dữ liộu được tổ chức theo dọng cầu tnic nào thì khuôn dạng cổc dữ liệu đều ở dạng vector hay raster và phải tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn dữ liệu ngay từ khâu đầu khi làm dữ liệu là khâu thiét kẻ và nhập dữ liệu. Việc tuân thủ tốt cổc tiêu chuẩn dữ liệu có ý nghĩa rất quan trọng, bảo đảm độ chỉnh xác dữ liệu sổ và tạo sự thống nhất của dữ liệu, cho phép giải quyểt các bài toán không gian (chồng xếp, phân tích, lựa chọn, đưa ra quyết định...).
2.2.4. Chuẩn thông tin địa lý cơ sở quốc gia
Dừ liệu GIS ngoài việc được tổ chức tốt còn cần có chất lượng tốt. Chất lượng của dừ liệu GIS được đánh giá bằng các chuẩn dữ liệu.
Chuẩn dữ liệu được xem xét ở những khỉa cạnh sau:
- Chuẩn về mô hình (mô hình raster hay vector)
- Chuẩn về không gian (hệ thống tọa độ; quan hệ không gian v.v...)
- Chuẩn về thuộc tính (các thông tin thuộc tính)
Ở mỗi khỉa cạnh trên, chuẩn của dữ liệu được qui định đầy đủ và chặt chẽ. 2.2.4.1. Yêu cầu chuẩn về mô hình
Với hai mô hình dữ liệu GIS chính là raster và vector, cần quan tâm đến các yểu tổ sau trong quá trinh xây dựng chuẩn:
35
Mô hình dữ liệu raster sử dụng các điểm ảnh để miêu tả đối tượng. Một đối tượng là một hoặc nhiều điểm ảnh. Các điểm ảnh phân biệt nhau bởi tọa độ (tại tâm điểm ảnh). Các đối tượng phân biệt nhau bởi giá trị (có thể đã được mã hóa) của các điểm ảnh.
- Chuẩn về tọa độ: dữ liệu raster cũng cần có tọa độ như bất kỳ dữ liệu địa lý nào khác. Tọa độ của dữ liệu raster cũng tuân thủ các qui tắc về lưới chiếu.
- Chuẩn về độ chi tiết thông tin - Kích thước pixel (điểm ảnh): cho phép miêu tả chi tiết đối tượng. Kích thước pixel càng nhỏ thì đổi tượng được miêu tả càng chi tiết.
- Chuẩn về thuộc tính - giá trị pixel: được sử dụng để miêu tả về đối tượng. Giá trị pixel có thể là số hoặc một chuỗi ký tự (tùy thuộc vào khả năng của phần mềm xử lý). Giá trị này trực tiếp miêu tả đổi tượng hay thông qua một hệ thổng mã hóa.
*/Với mô hình dữ liệu vector:
Dữ liệu vector sử dụng điểm, đường và polygon (vùng) để miêu tả hình dáng các đổi tượng. Thông tin về đối tượng được ghi trong một bảng thuộc tính đi kèm. Bảng thuộc tính này cỏ thể có nhiều trường (cột), mỗi trường ghi một loại thông tin khác nhau ở các dạng khác nhau (ký tự, sổ nguyên, thập phân, sổ thực). Dữ liệu vector cần tuân theo cảc tiêu chuẩn sau đây:
- Chuẩn về tọa độ: dữ liệu vector cần có tọa độ được chiếu theo một lưới chiéu nào đỏ như hệ tọa độ địa lỷ.
- Chuẩn về quan hệ không gian: các đối tượng điểm, đường, vùng được lưu trừ trong dừ liệu vector cần tuân thù theo quan hệ không gian. Theo đó, hai đường được nổi với nhau bởi một nút, các polygon phải được đảm bảo khép kín ở các nút nơi các đường ranh giới của chúng nối với nhau; các polygon liền kề nhau chỉ cỏ chung một đường biên duy nhất.
- Chuẩn về thuộc tính: thuộc tính đối tượng trong một trường phải đồng nhất về kiểu (ký tự, số nguyên v.v...).
36 2.2.4.2. Yêu cầu chuẩn về không gian
Chuẩn về không gian được bao gồm chuẩn về cách thể hiện đối tượng trong không gian và chuẩn về quan hệ không gian giữa các đối tượng đó. Cách thức thể hiện đối tượng được xây dựng trong từng dự án cụ thể, phụ thuộc chính vào tỷ lệ bản đồ (với dữ liệu số, là tỷ lệ gốc của thông tin). Chuẩn về quan hệ không gian (topology) cần được tuân thủ nghiêm ngặt. Đây là những chuẩn công nghiệp và đã được xây dựng ừong các phần mềm GIS thương mại (như ArcGIS). Sử dụng các phần mềm này để tạo dữ liệu và kiểm tra chuẩn về quan hệ không gian là cách tốt nhất để tuân thủ chuẩn.
Trên bản đồ hàng hải người ta thể hiện lưới tọa độ địa lý (lưới kinh, vĩ tuyến) chứ không thể hiện lưới tọa độ ô vuông (lưới kilômet).
2.2.4.3.Yêu cầu chuẩn về thuộc tính
Chuẩn về thuộc tính là quy định về nội dung và hình thức thể hiện các thuộc tính của đối tượng. Chuẩn về thuộc tính rất đa dạng, phụ thuộc vào kiểu dữ liệu, nghĩa là kiểu thông tin mà dữ liệu miêu tả.
Trong thực tế, việc tuân thủ tiêu chuẩn dữ liệu là vô cùng quan trọng. Nó đảm bảo cho tính thống nhất của dữ liệu sổ, sự chỉnh xác và cho phép thực hiện các bài toán trong đổ yêu cầu cảc phân tích dữ liệu về mặt không gian (chồng xếp, tính toán v.v...). Việc tuân thù tiêu chuẩn dữ liệu cần được thực hiện ngay từ những khâu đầu tiên trong quả trình làm dữ liệu là khâu thiết kế và khâu nhập đữ liệu.
2.2.5. Yêu cầu chung về CSDL
Cơ sở dữ liệu được thiết kế bao gồm các nội dung sau:
- Xác định và phân loại các loại dữ liệu cần thu thập và quản lý.
- Xác định mô hình dữ liệu số, cấu trúc, thuộc tính cho từng loại dữ liệu được thu thập.
- Xác lập mối quan hệ giữa các dữ liệu, thông tin thứ cấp và sản phẩm. - Lựa chọn, thiết kế các gói phần mềm và các phần cứng quản trị CSDL.
37
- Nhát quán hóa sổ liệu: đây là công việc kỹ thuột quan trọng đầu tiên để phân loại so liệu, mâ hỏa sổ liệu trong CSDL, từ đó có thể nhập vào hệ thổng một