2. Ứng dụng công nghệ viễn thám và GI Sở trên thế giới
2.7. Một số thuật toán minh họa
Trong đề tài nghiên cứu, để đưa ra được kết quả nghiên cứu thì ta phải chồng xếp 2 bản đồ lên, khi chồng bản đồ ta sẽ bắt gặp hiện tượng không chồng khít, xuất hiện các đa giác con.Việc xác định diện tích các đa giác này cho phép ta xác định được biến động trên vùng bờ biển nghiên cứu. Sau đây là một số thuật toán cụ thể.
Giao của các đoạn thẳng
Các thuật toán của các tiến trình phức tạp trong GIS được hình thành từ các thuật toán đơn giản. Thuật toán là thủ tục bao gồm tập các qui tắc rõ ràng về trình tự giới hạn các thao tác để giải quyết vấn đề hay lớp vấn đề. Thuật toán tìm giao các đường thẳng
- Thuật toán tìm giao các đường thẳng hay được sử dụng nhất trong GIS: xếp chồng đa giác, trộn, làm tan đa giác và đoạn thẳng, điểm trong đa giác, loại bỏ đa giác lạ...
- Thí dụ đơn giản: đường thẳng đi từ (4,2) đến (2,0) có giao với đoạn thẳng (0,4), (4,0)?
- Giải pháp: Phương trình đường thẳng qua 2 điểm y=ax+b,
trong đó b=(y2-y1)/(x2-x1)
- Tổng quát: nếu ta có y=a1+b1x và y=a2+b2x thì giao điểm sẽ ở tại: xi=-(a1-a2)/(b1-b2) yi=a1+b1xi
- Các trường hợp đặc biệt: song song trục x hay y, song song với nhau
Trong GIS chúng ta thường làm việc với đoạn thẳng thay cho đường thẳng. Do vậy, phương pháp tìm giao đường thẳng trên đây đòi hỏi kiếm tra tọa độ của giao đường thẳng có nằm trong các đoạn thẳnghay không. Phương pháp khác: biểu diễn đoạn thẳng bằng tham số
- Đoạn thẳng 1 qua (xA, yA) và (xB, yB)
- Đoạn thẳng 2 qua (xC, yC) và (xD, yD)
- Giao của 2 đoạn thẳng tại t, s như tính toán dưới đây và thỏa mãn điều kiện 0 ≤ t ≤ 1 và 0 ≤ s ≤ 1
Hình 2.9. Giao của các đường thẳng x xA t x( B xA) y yA t y( B yA) x xC s x( D xC) y yC s y( D yC) ( )( ) ( )( ) ( )( ) ( )( ) C A C D C A C A B A C D C D B A x x y y x x y y t x x y y x x y y ( )( ) ( )( ) ( )( ) ( )( ) B A C A C A B A B A C D C D B A x x y y x x y y s x x y y x x y y
Xác định điểm trong đa giác:
Thuật toán này ứng dụng để xác định điểm độc lập hay đầu mút đoạn thẳng nằm trong đa giác hay không.
- Từ điểm cho trước, hãy vẽ tia ra ngoài tận cùng các cạnh đa giác
- Tính tổng giao điểm của tia với các cạnh đa giác. Nếu tổng số điểm là lẻ thì điểm đó nằm trong đa giác, ngượi lại tổng số điểm chẵn thì điểm nằm ngoài đa giác
- Để dễ tính toán hãy dựng tia song song với trục tọa độ
Thuật toán này đúng cả với trường hợp đa giác có lỗ hổng Cần chú ý khi tia đi qua đỉnh đa giác hay trùng với cạnh đa giác
Hình 2.10. Điểm trong đa giác
Phương pháp kiểm tra góc:
Thí dụ, xét xem điểm P cho trước có ở trong đa giác ABCDE hay không Từ điểm P nối với các đỉnh đa giác để tạo thành các góc theo thứ tự ngược chiều kim đồng hồ, các góc này có giá trị dương hoặc âm tùy theo hướng đo, tính tổng các góc:
- Nếu tổng các góc bằng 0 thì P nằm ngoài đa giác
- Nếu tổng các góc bằng 360 độ thì P nằm trong đa giác
Diện tích đa giác:
Nhiệm vụ: tính diện tích đa giác bất kỳ Phương pháp
- Giả sử các đỉnh đa giác xếp đặt theo chiều quay của kim đồng hồ - Vẽ các đường vuông góc từ đỉnh đa giác xuống trục nằm ngang để tạo các hình thang: độ cao hình thang bằng hiệu hai tọa độ x của hai đỉnh liên tiếp. Chúng có giá trị âm hoặc dương.
Hình 2.12. Diện tích đa giác
- Diện tích đa giác sẽ bằng tổng diện tích của các hình thang này
1 1 1 1 ( ) ( ) ( ) 2 n i b i b p i i i y y y y A x x
- Vì yb có giá trị bất kỳ kể cả 0, cho nên diện tích hình thang sẽ được tính như sau: 1 1 1 1 1 1 1 ( ) ( ) 2 n p n n i i i i i A x y x y x y x y
Giao của 2 đa giác:
- Thuật toán do Clamer Schutte (Đại học Delft, Hà lan) đề xuất: cho trước hai đa giác P và Q không có lỗ hổng, không tự cắt và đỉnh của chúng được sắp xếp theo chiều kim đồng hồ. Hãy tìm đa giác thuộc tập P∪Q, P\ Q và Q\P
Hình 2.13. Giao hai đa giác - Các bước của thuật toán:
+ Phân lớp các đỉnh của hai đa giác vào 2 danh sách: gán vào mỗi đỉnh giá trị (inside), (outside) hay (boundary) phụ thuộc vào vị trí của nó so với đa giác kia
Pv= <(P1, o), (P2, o), (P3, i), (P4, o), (P5, b)>
Qv=<(Q1, o), (Q2, o), (Q3, o), (Q4, i), (Q5, b), (Q6, o), (Q7, o), (Q8, b),
(Q9, b)>
+ Tìm giao của các cạnh của hai đa giác P, Q.
+ Mỗi giao điểm được xen vào Pv hay Qv và đánh dấu (boundary) để có danh sách mới
Pef=<(P1, o), (P2, o), (P’1, b), (P3, i), (P’2, b), (P4, o), (P’3, b), (P5, b),
(P’4, b), (P’5, b)
Qef= (Q1, o), (Q2, o), (Q3, o), (Q’1, b), (Q4, i), (Q5, b),(Q’2, b), (Q’3, b),
(Q6, o), (Q7, o), (Q8, b), (Q’4, b), (Q’5, b), (Q9, b)> + Lựa chọn các cạnh mới cho đa giác kết quả
Các khúc của cạnh là một phần cạnh đa giác gốc, nằm hoàn toàn trong hay hoàn toàn ngoài đa giác kia
Hình 2.14. Xác định cạnh trong đa giác
Thí dụ: chọn các khúc nằm trong khi đầu cuối nằm trong, nếu cả hai đầu mút nằm trên cạnh đa giác thì kiểm tra điểm giữa của nó xem có nằm trong đa giác hay không
+ Danh sách Pef và Qef:
Pef=<(P1, o), (P2, o), (P’1, b), (P3, i), (P’2, b), (P4, o), (P’3, b), (P5, b),
(P’4, b), (P’5, b)
Qef= (Q1, o), (Q2, o), (Q3, o), (Q’1, b), (Q4, i), (Q5, b),(Q’2, b), (Q’3, b),
(Q6, o), (Q7, o), (Q8, b), (Q’4, b), (Q’5, b), (Q9, b)> + Tách các đa giác kết quả
Tách từng đa giác kết quả. Bắt đầu từ khúc bất kỳ có dấu i hay b sau đó tìm trong 2 danh sách các khúc tiếp theo có đầu mút khớp với điểm cuối của cạnh trước. Lặp cho đến khi trở lại điểm ban đầu Thí dụ: hãy bắt đầu từ khúc (P’1, P3). Sau đó tìm khúc (i, b) có P3 là điểm mút, ta thấy (P3, P’2). Tiếp theo từ P’2, ta tìm trong Qef thấy khúc Q’4Q’5. Hình thành đa giác R1
Hình 2.15. Tách các đa giác kết qủa
2.8. Các bƣớc nghiên cứu biến động bằng phƣơng pháp tích hợp GIS và viễn thám
2.8.1. Xác định vấn đề nghiên cứu
Xác định vùng nghiên cứu , định nghĩa các lớp tương ứng với hệ thống phân loại lớp phủ
2.8.2. Thu thập và nghiên cứu các thông số của ảnh vệ tinh
Thu thập ảnh viễn thám cần chú ý đến điều kiện môi trường như điều kiện về khí quyển, độ ẩm đất, chu trình sinh hóa hay thời gian thu thập. Dữ liệu viễn thám phải được thu thập vào những ngày không mây, chỉ cần một lớp mỏng mây hay sương mù cũng dẫn tới sự thay đổi về phổ trên ảnh vệ tinh tạo nên sự khác biệt về phổ giữa các thời điểm thu thập ảnh
2.7.3. Xử lý ảnh viễn thám
Quá trình này bao gồm các bƣớc
- Nắn chỉnh , tăng cường chất lượng ảnh
- Lựa chọn phương pháp phân loại ảnh
- Đánh giá độ chính xác của phân loại ảnh
2.8.3. Chồng ghép Vector xác định biến động
Thành lập bản đồ biến động, thống kê và tính toán bản đồ biến động
Quy trình xác định biến động Hình 2.16. Quy trình xác định biến động P HẦN M Ề M XỬ L Ý ẢN H VI Ễ N T HÁM (E NV I) P HẦN M Ề M GI S B IÊ N T ẬP , XÁ C ĐỊ N B IẾ N ĐỘNG XÁC ĐỊNH VẤN ĐỀ - Vùng quan tâm
- Chủng loại quan tâm
THU THẬP DỮ LIỆU
- Dữ liệu viễn thám
NẮN ẢNH
(Nắn ảnh theo ảnh, ảnh theo bản đồ)
PHÂN LOẠI
- Xây dựng khóa giải đoán
- Lựa chọn điểm khống chế
SAU PHÂN LOẠI
- Gộp lớp, lọc nhiễu kết quả,
vector hóa kết quả
CHỒNG GHÉP BẢN ĐỒ VECTOR TÍNH DIỆN TÍCH BIẾN ĐỘNG C huyể n dữ li ệu
CHƢƠNG 3 : THỬ NGHIỆM CHƢƠNG TRÌNH VỚI PHẦN MỀM ENVI VÀ ARCGIS
3.1. Giới thiệu bài toán
Mục đích của chương trình được phát triển để tìm ra sự biến đổi về lớp phủ mặt đất, địa hình (biển, đồng bằng, gò đồi, rừng núi), qua đó đánh giá được những sự thay đổi theo thời gian để đưa ra được đánh giá về sự phát triển, cũng như đưa ra được cảnh báo như cảnh báo sạt lở đất, cảnh báo cháy rừng, chặt phá rừng bừa bãi, qua đó đưa ra được những biện pháp để phòng tránh.[5]
Dựa trên công cụ phần mềm ENVI và ArcGIS cùng với bộ sưu tập dữ liệu ảnh có được từ Terralook ở trên, sử dụng phần mềm Terralook ta có được ảnh vệ tinh Landsat của vùng cần nghiên cứu, cụ thể trong đề tài này là khu vực tĩnh Vĩnh Phúc tại 2 thời điểm năm 2000 và năm 2007. Từ ảnh vệ tinh, giải đoán ảnh để xác định vùng cần khảo sát, chồng ghép hai ảnh Vector của vùng khảo sát tương ứng ở trên ta tính được diện tích biến động của khu vực đó
3.2. Giới thiệu về phần mềm ENVI
ENVI là một trong những phần mềm hàng đầu trong việc xử lý, thu nhận thông tin từ dữ liệu ảnh một cách nhanh chóng, dễ dàng và chính xác. Cùng với sự gia tăng về độ chính xác của dữ liệu ảnh thì vai trò của quá trình thu nhận và xử lý ảnh cũng tăng lên. Các phần mềm xử lý ảnh sẽ giúp việc thu nhận, chiết xuất ra các thông tin cần thiết một cách dễ dàng, nhanh chóng và chính xác.
Phần mềm ENVI cung cấp các công cụ hữu dụng và cao cấp để đọc, khám phá, thao tác, phân tích và chia sẻ các thông tin thu nhận từ dữ liệu ảnh.
ENVI được phát triển bới các chuyên hàng đầu về hiển thị và xứ lý ảnh. Đồng thời, ENVI cũng được xây dựng trên nền tảng mở nên cho phép người dùng dễ dàng mở rộng và tùy biến các ứng dụng. Ngoài ra, người dùng có thể sử dụng ENVI trên các môi trường khác nhau như Windows, Macintosh, Linux hay Unix.
Đọc dữ liệu
ENVI hỗ trợ đọc dữ liệu của ảnh viễn thám và ảnh hàng không bao gồm ảnh toàn sắc, đa phổ, ảnh radar, ảnh lidar… ENVI cho phép người dùng đọc trên 70 định dạng dữ liệu khác nhau. Ngoài ra, ENVI còn cung cấp các công cụ hỗ trợ đọc trực tiếp dữ liệu ảnh từ các server của OGC(Open Geospatial Consortium) và JPIP(JPEG 2000 Interactive Protocol).
Thao tác với dữ liệu
Với ENVI người dùng có thể: Trực chuẩn hóa ảnh
Đăng ký hai hay nhiều ảnh Hiệu chỉnh ảnh hưởng khí quyển Chồng xếp dữ liệu vector
Xác định vùng giao(ROIs) Tạo mô hình số độ cao(DEM)
Thay đổi cỡ ảnh, quay, chuyển định dạng
Khám phá dữ liệu
ENVI cung cấp cho người dùng một giao diện thông minh để khám phá và hiển thị dữ liệu. Người dùng có thể sử dụng ENVI để khám phá nguồn dữ liệu đồ sộ và thông tin miêu tả (metadata) của nó, tạo hiệu ứng 3D, tạo hình ảnh chuyển động…
Phân tích dữ liệu
ENVI cung cấp bộ các công cụ hữu ích được xây dựng dựa trên các phương pháp khoa học đã được chứng minh giúp người dùng phân tích dữ liệu. Phân tích trong ENVI bao gồm:
Phân tích dữ liệu ảnh Phân tích dữ liệu phổ
Chia sẻ dữ liệu
Với ENVI người dùng rất dễ dàng kết hợp các tiến trình công việc. Qua đó, cho phép người dùng chia sẻ bản đồ kết quả và các báo cáo. Chức năng “save as” của ENVI sẽ hỗ trợ chuyển đổi và xuất dữ liệu. Dữ liệu có thể được xuất ra ở dạng vector hoặc raster chung nào đó, để trao đổi giữa nhiều người dùng khác nhau.
3.3. Giới thiệu về ArcGIS
3.3.1. Giới thiệu về phần mềm ArcGIS
ArcGIS là dòng sản phẩm hỗ trợ trong hệ thống thông tin địa lý của ESRI. Tùy mức độ đăng ký bản quyền mà ArcGIS sẽ ở dạng ArcView, ArcEditor, ArcInfo. Trong đó ArcInfo có chi phí bản quyền lớn nhất và nhiều chức năng nhất.
ERSI có những sản phẩm chủ yếu sau:
ArcGIS gồm các ứng dụng chính ArcMap,ArcCatalog,ArcToolbox. ArcIMS dùng để đưa dữ liệu GIS lên Web
ArcPad dùng cho các thiết bị Mobile
ArcSDE dùng làm cầu nối truy xuất vào các hệ quản trị cơ sở dữ liệu ArcExplore dùng truy cập nguồn dữ liệu trên Web
ArcGIS server hỗ trợ các chức năng bên phía server cũng như triển khai các ứng dụng qua mạng
3.3.2. Giới thiệu về ArcMap
ArcMap cho phép người sử dụng thực hiện các chức năng sau:
Hiển thị trực quan: Thể hiện dữ liệu theo sự phân bố không gian giúp người dùng nhận biết được các quy luật phân bố của dữ liệu các mối quan hệ không gian mà nếu sử dụng phương pháp truyền thống thì rất khó nhận biết. Tạo lập bản đồ: Nhằm giúp cho người sử dụng dể dàng xây dựng các bản đồ chuyên đề để truyền tải thông tin cần thiết một cách nhanh chóng và chuẩn xác,
ArcMap cung cấp hàng loạt các công cụ để người dùng đưa dữ liệu của họ lên bản đồ, thể hiện, trình bày chúng sao cho có hiệu quả và ấn tượng nhất. Trợ giúp ra quyết định: ArcMap cung cấp cho người dùng các công cụ để phân tích, xử lý dữ liệu không gian, giúp cho người dùng dể dàng tìm được lời giải đáp cho các câu hỏi như là “Ở đâu…?”, “Có bao nhiêu…?”,… Các thông tin này sẽ giúp cho người dùng có những quyết định nhanh chóng, chính xác hơn về một vấn đề cụ thể xuất phát từ thực tế mà cần phải được giải quyết. Trình bày: ArcMap cho phép người dùng trình bày, hiển thị kết quả công việc của họ một cách dễ dàng. Người dùng có thể xây dựng những bản đồ chất lượng và tạo các hiển thị tương tác để kết mối các báo cáo, đồ thị, biểu đồ, bảng biểu, bản vẽ, tranh ảnh và những thành phần khác với dữ liệu của người dùng. Họ có thể tìm kiếm, truy vấn thông tin địa lý thông qua các công cụ xử lý dữ liệu rất mạnh và chuyên nghiệp của ArcMap.
Khả năng tùy biến của chương trình: Môi trường tùy biến của ArcMap cho phép người dùng tự tạo các giao diện phù hợp với mục đích, đối tượng sử dụng, xây dựng những công cụ mới để thực hiện công việc của người dùng một cách tự động, hoặc tạo những chương trình ứng dụng độc lập thực thi trên nền tảng của ArcMap.
Một số khái niệm cơ bản trong ArcMap
Bản đồ là một thành phần cơ bản trong ArcMap. Người sử dụng có thể hiển thị thông tin địa lý trên bản đồ theo nhiều layer. Những layer này hiển thị một kiểu dữ liệu đặc trưng như là: sông ngòi, ao hồ, đường giao thông, địa giới hành chánh, khu bảo tồn động vật hoang dã…. Layer không lưu trữ dữ liệu thông tin địa lý thực. Nó chỉ tham chiếu đến những dữ liệu lưu trữ trong coverage, shapefile, geodatabase, image, grid… và định cách hiển thị thông tin trên bản đồ.
Việc tham chiếu những dữ liệu bằng cách này cho phép layer phản ánh lại hầu hết những thông tin mới nhất trong dữ liệu GIS. TOC (Table of contents) là một danh sách chứa tất cả layer trên bản đồ và hiển thị những đối tượng
hành layer đó tắt hay mở, tức là layer đó được hiển thị trên bản đồ hay không. Thứ tự của các layer trong TOC cũng rất quan trọng. Layer đặt ở trên sẽ được nằm đè lên những layer dưới trong bản đồ. Các layer trong bản đồ được tổ chức trong một data frame. Một data frame là một nhóm các layer hiển thị trong cùng một không gian tham chiếu (project). Người sử dụng luôn luôn nhận một data frame khi tạo một bản đồ mới. Nó ở vị trí trên cùng của những layer mà nó chứa data frame có thể được thay đổi cho phù hợp với mục đích sử dụng. Khi một bản đồ bao gồm nhiều data frame, thì một trong số chúng sẽ là data frame active. Data frame active là một data frame nhận trực tiếp các thao tác trên ArcMap. Ví dụ nếu thêm một layer vào bản đồ, thì layer đó được thêm vào data frame active. Data frame active có thể dễ dàng nhận biết được trong bản đồ bởi vì nó được tô đậm và nổi bật trên data view. Nếu bản đồ chỉ có một data frame thì nó là data frame active. Chỉ có data frame active là được hiển thị trên data view.
Hình 3.1. Giới thiệu về ArcMap
3.4. Vị trí vùng nghiên cứu
Trong giới hạn đề tài này, tôi xin nghiên cứu về sự biến đổi thảm thực vật của khu vực tỉnh Vĩnh Phúc trong hai năm 2000 và 2007, cụ thể là hai ảnh viễn