Đề tài Nghiên cứu phương pháp thành lập và một số ứng dụng của mô hình số độ cao dem

“NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP THÀNH LẬP VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA MÔ HÌNH SỐ ĐỘ CAO DEM” Sinh viên thực hiện : - Nguyễn Văn Đồng Lớp: 54-TĐBĐ - Phùng Quang Nam Giáo viên hướng dẫn : Lại Tuấn Anh DANH MỤC Danh mục và bảng biểu Ký hiệu Tên bảng Số trang Hình 1.1 DEM – dạng Raster 5 Hình 1.2 Mô hình DEM dạng Raster 6 Hình 1.3 DEM dạng Vecter 5 Hình 3.1 Thành phần của ArcGIS 14 Hình 3.2 Giao diện phần mềm ArcGIS Desktop 17 Hình4.1 Sơ đồ Voronoi 19 Hình 4.2 Một số dạng mô hình số độ cao 22 Hình 4.3 Ứng dụng TIN để biểu thị sự biến động độ cao địa hình 22 Hình4.4 Biểu đồ khối biểu thị sự biến động của độ cao địa hình 26 Thuật ngữ và các từ ngữ viết tắt GIS Geographic Information System Hệ thống thông tin địa lý GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu RS Remote Sensing Viễn thám CSDL Cơ sở dữ liệu DEM Digital Elevation Model Mô hình độ cao số DTM Digital Terrain Model Mô hình địa hình số DSM Digital Surface Model Mô hình bề mặt số A.PHẦN MỞ ĐẦU 1.Đặt vấn đề (sự cần thiết của đề tài) Gần đây, quá trình phát triển kinh tế - xã hội; sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá; tốc độ gia tăng dân số và tác động của thiên nhiên đã làm cho đất đai biến đổi cả về số lượng và chất lượng. Việc thiếu đất sản xuất, đất ở, an toàn lương thực không được đảm bảo đã trở thành một vấn đề lớn của toàn nhân loại nói chung và của Việt Nam nói riêng. Nước ta, với đặc điểm địa hình, địa mạo phức tạp rất đa dạng về loại hình thổ nhưỡng và có khả năng sử dụng phong phú nên đất vùng đồi núi có vai trò rất quan trọng. Tuy nhiên, việc khai thác và sử dụng đất vùng đồi núi cũng gặp phải rất nhiều những khó khăn và trở ngại do địa hình bị chia cắt, quá trình rửa trôi dẫn đến hiện tượng thoái hoá, suy kiệt và hậu quả còn gây ảnh hưởng lớn đến vấn đề môi trường và sự tồn tại của các thế hệ tương lai. Do đó, ý thức được tầm quan trọng của các nguồn tài nguyên đối với sự phát triển và sự thịnh vượng của đất nước, Đảng và Nhà nước ta đã quan tâm đến công tác quản lý và bảo vệ tài nguyên, đặc biệt là đất đai. [1] Những quy định việc điều tra, đánh giá đất đai [2]; về xây dựng, quản lý, khai thác hệ thống thông tin đất đai. [3]. Trước những vấn đề đó, việc xây dựng DEM là rất cần thiết vì DEM có nhiều ứng dụng trong thực tiễn, DEM thể hiện được những ưu điểm vượt trội về sự mô phỏng tổng quan chân thực nhất về bề mặt Trái Đất, nó được ứng dụng cho nhiều mục đích nghiên cứu của các ngành khoa học Trái đất mang lại hiệu quả cao. Đặc biệt trong phân tích địa hình - địa mạo phục vụ cho công tác nghiên cứu địa động lực, địa động lực hiện đại xác định làm tiền đề nghiên cứu các đứt gãy kiến tạo. Chính vì thế mà chúng tôi quyết định chọn đề tài: “Nghiên cứu phương pháp thành lập và một số ứng dụng của mô hình số độ cao DEM”. Nhằm đưa ra những giải pháp thích hợp để quản lý bảo vệ đất, bảo vệ tài nguyên thiên nhiên một cách tôt nhất. 2.Mục đích , yêu cầu của đề tài Áp dụng công nghệ GIS để thành lập bản đồ mô hình số độ cao. Nghiên cứu một số ứng dụng của mô hình số độ cao. 3.Phạm vi nghiên cứu Khu vực tỉnh Thái Nguyên. 4.Phương pháp nghiên cứu Sử dụng phần mềm ArcGIS và các số liệu thu thập được để tạo mô hình số độ cao. B. PHẦN NỘI DUNG Chương I: KHÁI QUÁT MÔ HÌNH SỐ ĐỘ CAO 1.1 Khái niệm về mô hình số độ cao Khái niệm Mô hình số hoá độ cao (DEM) là sự thể hiện bằng số độ cao của bề mặt đất, độ cao của tầng đất, của mực nước ngầm so với độ cao của bề mặt đất. Các kiểu thể hiện mô hình số độ cao -DEM được lưu trữ khác nhau tuỳ thuộc vào kiểu số liệu là Raster hayVector. a. DEM dạng Raster: • Trong mô hình Raster DEM : ma trận các ô vuông gồm các hàng và cột. • Mỗi một ô (cell) chứa giá trị độ cao của điểm trung tâm của ô. Hình 1.1 DEM – dạng Raster Hình 1.2 Mô hình DEM dạng Raster b. DEM dạng Vector : • Trong cấu trúc Vector, DEM có thể được coi như là một lưới tam giác không đều – TIN. • TIN là tập các đỉnh nối với nhau thành các tam giác, mỗi một tam giác được giới hạn bởi 3 điểm xác định về giá trị x,y và z (độ cao). Hình 1.3 DEM dạng Vecter 1.2 Phương pháp thành lập và ứng dụng của DEM 1.2.1 Các phương pháp thành lập DEM Hiện nay có rất nhiều các phương pháp thành lập mô hình số độ cao DEM, trong đó có một số phương pháp được sử dụng chủ yếu như: thành lập DEM từ chụp ảnh lập thể, xây dựng DEM từ đường đồng mức, và phương pháp tiên tiến phức tạp hơn là xây dựng DEM từ công nghệ giao thoa Radar (IN-SAR). 1.2.1.1 Phương pháp chụp ảnh lập thể - Dùng các dụng cụ chuyên dụng chụp ảnh để thu thập dữ liệu của một vùng với các giá trị x, y z của các điểm trên bề mặt quả đất . - Phương pháp này đòi hỏi kỹ thuật cao trong việc chụp và xử lý ảnh, đòi hỏi số điểm kiểm soát nhiều và đòi hỏi kĩ thuật cao trong chụp và xử lý ảnh. - Các dạng DEM phổ biến : + DEM xây dựng từ vệ tinh ASTER; + DEM xây dựng từ vệ tinh SPOT. - Ví dụ: ảnh hàng không ảnh viễn thám 1.2.1.2 Phương pháp đường đồng mức Bản đồ địa hình (gồm các đường đồng mức) thường được xây dựng từ các phương pháp quan trắc địa được số hóa dưới dạng đường đồng mức.Mỗi đường đồng mức thể hiện một giá trị độ cao trên bản đồ.Và với việc sử dụng GIS ta có thể xây dựng mô hình số độ cao DEM từ các bản đồ địa hình dạng đường đồng mức này bằng các phần mềm GIS như Mapinfor hay Arcgis. Bản đồ địa hình ( các đường đồng mức) => Mô hình TIN => Mô hình Grid. Mô hình TIN là một dạng dữ liệu Raster được thể hiện dưới dạng lưới tam giác không đều. Grid: là một dạng dữ liệu Raster mô tả một bề mặt mang giá trị liên tục. Giá trị mỗi ô lưới (cell) là giá trị của bề mặt tại đó. 1.2.1.3 Phương pháp giao thoa Radar Là trong khu vực hai ảnh SAR giống như việc xử lý, đình công hai ảnh SAR dữ liệu cơ bản thông qua các giai đoạn khác nhau, có được hình ảnh giao thoa, và sau đó sau khi giai đoạn unwrapping, để có được từ rìa của không gian địa hình dữ liệu độ cao cho công nghệ quan sát trái đất. 1.2.2 Một số ứng dụng DEM DEM là dữ liệu đầu vào của các quá trình liên quan đến độ cao. DEM sử dụng cho nhiều mục đích ứng dụng như sau: Tính toán độ dốc Tính hướng dốc Tính toán khối lượng đào đắp Vẽ mặt cắt địa hình Tính độ dài sườn dốc Phân tích địa mạo của khu vực Xác định lưu vực CHƯƠNG 2 KHÁI QUÁT VỀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU 2.1 Vị trí địa lý Tỉnh Thái Nguyên có tọa độ : 21°33′51″B 105°52′46″Đ hay 21,564225°B 105,879364°Đ. Phía Bắc tiếp giáp với Tỉnh Bắc Kạn, phía tây giáp với Tỉnh Vĩnh Phúc và Tỉnh Tuyên Quang, phía đông giáp với các Tỉnh Lạng Sơn và Bắc Giang và phía nam tiếp giáp với Thủ đô Hà Nội. Với vị trí địa lý là một trong những trung tâm chính trị, kinh tế của khu Việt Bắc nói riêng, của vùng trung du miền núi đông bắc nói chung, Thái Nguyên là cửa ngõ giao lưu kinh tế xã hội giữa vùng trung du miền núi với vùng đồng bằng Bắc bộ. Cùng với vị trí trung tâm của Việt Bắc, Thái Nguyên còn là nơi hội tụ nền văn hóa của các dân tộc miền núi phía Bắc, là đầu mối các hoạt động văn hóa, giáo dục của cả vùng núi phía Bắc rộng lớn. 2.2 Đặc điểm địa hình Thái Nguyên có nhiều dãy núi cao chạy theo hướng Bắc Nam và thấp dần xuống phía Nam. Cấu trúc vùng núi phía Bắc chủ yếu là đa phong hóa mạnh, tạo thành nhiều hang động và thung lũng nhỏ. Phía Tây Nam có dãy Tam Đảo với đỉnh cao nhất 1.590m, các vách núi dựng đứng và kéo dài theo hướng Tây Bắc - Đông Nam. Ngoài dãy núi trên còn có dãy Ngân sơn bắt đầu từ Bắc Kạn chạy theo hướng Đông Bắc, Tây Nam đến Võ Nhai và dãy núi Bắc Sơn chạy theo hướng Tây Bắc, Đông Nam. Cả ba dãy núi Tam Đảo, Ngân Sơn, Bắc Sơn đều là những dãy núi cao che chắn gió mùa đông bắc. Thái Nguyên là một tỉnh trung du miền núi nhưng địa hình lại không phức tạp lắm so với các tỉnh trung du, miền núi khác, đây là một thuận lợi của Thái Nguyên cho canh tác nông lâm nghiệp và phát triển kinh tế xã hội nói chung so với các tỉnh trung du miền núi khác 2.3 Đặc điểm khí hậu Khí hậu Thái Nguyên vào mùa đông được chia thành 3 vùng rõ rệt: - Vùng lạnh nhiều nằm ở phía bắc huyện Võ Nhai. - Vùng lạnh vừa gồm các huyện Định Hóa, Phú Lương và phía Nam Võ Nhai. - Vùng ấm gồm các huyện: Đại Từ, Thành phố Thái Nguyên, Đồng Hỷ, Phú Bình, Phổ Yên và Thị xã Sông Công. Nhiệt độ chênh lệch giữa tháng nóng nhất (tháng 6: 28,90) với tháng lạnh nhất (tháng 1: 15,20) là 13,70. Tổng số giờ nắng trong năm dao động từ 1.300 đến 1.750 giờ và phân phối tương đối đều cho các tháng trong năm. Khí hậu Thái Nguyên chia làm 2 mùa rõ rệt, mùa mưa từ tháng 5 đến tháng 10 và mùa khô từ tháng 10 đến tháng 5. Lượng mưa trung bình hàng năm khoảng 2.000 đến 2.500mm; cao nhất vào tháng 8 và thấp nhất vào tháng 1. Nhìn chung khí hậu tỉnh Thái Nguyên thuận lợi cho phát triển ngành nông, lâm nghiệp. 2.4 Tình hình kinh tế - xã hội Tình hình kinh tế - xã hội của tỉnh trong những năm gần đây có nhiều thuận lợi trong hoạt động sản xuất kinh doanh, một số ngành nghề trọng điểm đều có sự tăng về năng lực sản xuất; các thành phần kinh tế đều có sự tăng trưởng, nhất là kinh tế ngoài quốc doanh đã khẳng định vị trí của mình trong nền kinh tế nhiều thành phần... song cũng phải đối mặt với nhiều khó khăn, thách thức như: thiên tai, dịch bệnh gia súc; giá cả đầu vào ở hầu hết các ngành sản xuất đều tăng làm cho chi phí sản xuất tăng cao đã đẩy giá thành sản phẩm tăng lên, ảnh hưởng không nhỏ tới sức cạnh tranh; kết cấu cơ sở hạ tầng, nhất là kết cấu hạ tầng khu vực nông thôn miền núi tuy đã cải thiện nhưng vẫn thiếu và xuống cấp; lĩnh vực xã hội còn nhiều bức xúc,  tai nạn giao thông tuy có nhiều biện pháp nhằm kiềm chế nhưng vẫn chưa có xu hướng giảm... Song với sự chỉ đạo quyết tâm và nỗ lực cố gắng các cấp, các ngành và nhân dân toàn tỉnh nên tình hình kinh tế xã hội đã thu được kết quả đáng kể, kinh tế tiếp tục phát triển theo chiều hướng tích cực. Đánh giá chung, tình hình kinh tế - xã hội trên địa bàn tỉnh những năm gần đây, mặc dù còn gặp nhiều khó khăn song kinh tế - xã hội của tỉnh vẫn  tiếp tục phát triển theo hướng tích cực, các chỉ tiêu kinh tế - xã hội chủ yếu của tỉnh đều hoàn thành so với kế hoạch và tăng khá so với cùng kỳ. Một số lĩnh vực xã hội cũng có sự cải thiện đáng kể. CHƯƠNG 3 THU THẬP DỮ LIỆU 3.1 Dữ liệu DEM - Hiện nay nguồn dữ liệu mô hình số độ cao được đăng tải và phổ biến rộng rãi từ rất nhiều nguồn cung cấp khác nhau trên internet, các nguồn DEM miễn phí dùng cho các mục đích nghiên cứu về địa chất, khí tượng thủy vănthường có độ phân giải từ 30m đến 1km. Nguồn dữ liệu DEM toàn cầu phổ biến nhất đó là nguồn dữ liệu do vệ tinh có bộ cảm ASTER GDEM cung cấp phạm vi toàn cầu. Các dữ liệu DEM cung cấp đã được loại bỏ các sai số và nội suy những vùng thiếu số liệu và nó đã cung cấp rộng rãi trên khắp thế giới cho các nhà nghiên cứu về Trái Đất trên thế giới sử dụng. Nguồn dữ liệu mô hình số độ cao ASTER GDEM có độ phân giải 30m được tải về trên hai trang web chính thức đó là trang web của trung tâm phân tích dữ liệu từ xa Trái Đất (ERSDAS) Nhật Bản có đường link: Và trang web của Cục khảo sát địa chất Hoa Kỳ (USGS): Mục ASTER Global DEM hoặc mục ASTER Global DEM V2 phần map layer. - Số hóa đường đồng đồng mức từ bản đồ địa hình rồi thực hiện các thao tác xử lý và chuyển sang dạng raster (DEM). 3.2 Khái niệm về hệ thống thông tin địa lý (GIS) và phần mềm ArcGIS [4] Hiện nay có rất nhiều công cụ GIS có thể ứng dụng để xử lý dữ liệu DEM như ArcGIS, Global Mapper. Tuy nhiên trong đề tài này chúng tôi sử dụng phần mềm ArcGIS 10.1. 3.2.1 Khái niệm về hệ thống thông tin địa lý(GIS) 3.2.1.1. Định nghĩa GIS là một hệ thống thông tin địa lý bao gồm các phần mềm, phần cứng máy tính và một cơ sở dữ liệu đủ lớn, có các chức năng thu thập, cập nhật, quản trị và phân tích, biểu diễn dữ liệu địa lý phục vụ giải quyết rộng lớn các bài toán ứng dụng có liên quan tới vị trí địa lý trên bề mặt Trái Đất. 3.2.1.2. Chức năng của GIS a. Nhập và biến đổi dữ liệu địa lý Đây là quá trình chuyển đổi dạng dữ liệu từ bản đồ giấy, các tài liệu văn bản khác nhau hoặc các dữ liệu dạng số sang dữ liệu số ở một định dạng phù hợp, có thể sử dụng được trong cơ sở dữ liệu GIS (CSDL GIS) đã được thiết kế. Sau khi nhập số liệu và bản đồ vào máy tính, bước tiền xử lý cho phép hoàn thiện dữ liệu bản đồ trên máy tính với các nội dung: Chuyển đổi khuôn dạng, cấu trúc dữ liệu bản đồ Biên tập, làm sạch dữ liệu và xây dựng cấu trúc topo (quan hệ không gian) Gắn các thuộc tính cho các đối tượng bản đồ, liên kết các dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc tính Hoàn thiện các lớp thông tin, tích hợp dữ liệu và trình bày bản đồ Chuyển đổi hệ quy chiếu (hệ tọa độ) nếu cần. Ngoài ra, người dùng có thể truy nhập vào CSDL GIS hiện có để cập nhật, bố sung dữ liệu mới theo các quy trình như đã trình bày ở trên. b. Quản lý dữ liệu Trong CSDL GIS, dữ liệu được sắp xếp theo các lớp (layers), theo nhóm chủ đề, theo không gian (vị trí), theo thời gian và được lưu trữ ở các thư mục một cách hệ thống. Chức năng quản lý dữ liệu của GIS được thể hiện qua các nội dung sau: Lưu trữ dữ liệu trong CSDL GIS và trong các thiết bị lưu trữ Khôi phục dữ liệu từ CSDL Tổ chức dữ liệu theo nhưng cây dữ liệu, dạng cấu trúc dữ liệu thích hợp và thường xuyên bảo trì dữ liệu. c. Hiển thị dữ liệu Với dữ liệu được quản lý trong CSDL GIS, người dùng có thể hiển thị từng lớp và nhóm dữ liệu, thậm chí một phần dữ liệu dưới các dạng bản đồ, biểu đồ và bảng dữ liệu. d. Truy vấn tìm kiếm Theo cấu trúc CSDL, người dùng có thể tìm kiếm đối tượng không gian hoặc thuộc tính thỏa mãn những điều kiện cho trước một cách dễ dàng và chính xác trong CSDL GIS. Các truy vấn bao gồm truy vấn tương tác, truy vấn thuộc tính và truy vấn không gian. e. Xử lý và phân tích dữ liệu Phần mềm GIS cho phép xử lý trên máy tính nhiều phép phân tích bản đồ và số liệu một cách nhanh chóng, chính xác, phục vụ cho các yêu cầu trong công tác xây dựng bản đồ, phân tích quy hoạch lãnh thổ, quản lý đô thị và quản lý tài nguyên môt trường. Đồng thời phần mềm GIS còn có thể thực hiện các phép biến đổi bản đồ cơ bản, chồng xếp bản đồ, xử lý dữ liệu không gian theo các mô hình. Các kỹ thuật phân tích và xử lý chính bao gồm: Các phép đo, tính diện tích, chiều dài, thống kê diện tích tự động theo các loại biểu thiết kế. Các phép phân tích theo vùng lựa chọn, thống kê vùng biên, phân loại, phân lớp mới cho bản đồ. Các phép nội suy đường đẳng trị (đường đồng mức), phân tích địa hình bề mặt (độ dốc, hướng dốc, bóng địa hình, phân tích thủy hệ), mô phỏng không gian, mô tả hướng nhìn. Chồng xếp bản đồ theo các tiêu chuẩn hoặc mô hình tính toán để tạo ra các bản đồ chuyên đề mới. Đưa ra các mô hình dữ liệu hỗ trợ cho việc ra quyết định các bài toán quy hoạch, phân vùng, dự báo khuynh hướng phát triển. g. Xuất dữ liệu và trình bày kết quả Kết quả phân tích từ các số liệu có thể được trình bày dưới dạng bảng biểu, biểu đồ, bản đồ hoặc xuất ra theo các dạng khác nhau như in giấy, lưu trên đĩa CD, hoặc các thiết bị lưu trữ khác với chất lượng, độ chính xác và khả năng tiện dụng cao. 3.2.2 Giới thiệu về phần mềm ArcGIS Phần mềm ArcGIS là phần mềm ứng dụng công nghệ hệ thông tin địa lý của Viện nghiên cứu hệ thống môi trường (ESRI) của Mỹ. Bộ phần mềm ArcGIS của ESRI có khả năng khai thác hết các chức năng GIS trên các ứng dụng khác nhau như: Desktop, máy chủ, hoặc hệ thống thiết bị di động. Phần mềm ArcGIS cung cấp những công cụ rất mạnh để quản lý và cập nhật, phân tích thông tin tạo nên một hệ thống thông tin địa lý hoàn chỉnh. ArcGIS cho phép Tạo và chỉnh sửa dữ liệu tích hợp (dữ liệu không gian với dữ liệu thuộc tính) Truy vấn dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc tính từ nhiều nguồn và bằng nhiều cách khác nhau Hiển thị, truy vấn và phân tích dữ liệu không gian kết hợp với dữ liệu thuộc tính Thành lập bản đồ chuyên đề và các bản in có chất lượng trình bày chuyên nghiệp. 3.2.2.2 Thành phần của ArcGIS Hình 3.1. Thành phần của ArcGIS 3.2.2.3 ArcGIS có thể làm được gì? Đọc và tạo dữ liệu trong ArcGIS từ các phần mềm khác như: MapInfo, MicroStation, AutoCAD, MS Access, dBASE file, MS Excel Nội suy, phân tích không gian. Có thể phối hợp các kỹ thuật phân tích phức tạp với nhau để tạo ra các mô hình chi tiết. Tạo ra những bản đồ với chất lượng cao và có khả năng kết nối nhanh với nhiều loại dữ liệu khác nhau như: biểu đồ, bảng thuộc tính, ảnh và các dạng file khác. Chồng xếp các lớp lớp dữ liệu để tạo ra lớp dữ liệu mới. Có nhiều phương pháp hồng xếp dữ liệu (intersect, merge, union, dissolve, clip) nhưng nhìn chung là kết hợp hai lớp dữ liệu có sẵn thành một lớp dữ liệu mới. Cấu trúc tổ chức dữ liệu trong ArcGIS ArcGIS tổ chức và lưu trữ thông tin dưới dạng các lớp dữ liệu không gian. Mỗi một lớp dữ liệu bao gồm các trường thuộc tính giống nhau. Dữ liệu trong ArcGIS được chia thành các dạng: Mô hình dữ liệu Vector Mô tả đối tượng không gian dưới dạng các lớp dữ liệu: điểm (point), đường (polyline) và vùng (polygon). Điểm: được xác định bởi một cặp tọa độ (x,y) hay (x,y,z) với z là giá trị độ cao. Điểm là đối tượng vô hướng, không có kích thước (độ dài hay diện tích) Đường: được xác định bởi một tập hợp các cặp tọa độ (các điểm). Đường là đối tượng có hướng và có kích thước (độ dài). Các đối tượng đường trong ArcGIS còn có quan hệ topo (quan hệ hình học). Trong đó hai điểm đầu và cuối đường được gọi là node, các điểm nằm giữa hai node xác định hình dạng của đường và được gọi là vertex. Vùng: được xác định bởi một tập hợp các tọa độ khai báo cho đường bao của một vùng. Vùng có thể đo được diện tích. Một đối tượng không gian có thể được thể hiện dưới dạng một điểm hoặc một vùng tùy thuộc vào tỷ lệ bản đồ. ArcGIS sử dụng 3 mô hình vector để biểu diễn dữ liệu là: coverage, shapefile và geodatabase, đồng thời lưu dữ liệu trong các lớp đối tượng (feature classes) dưới dạng không gian và thuộc tính (bảng dữ liệu). b.Mô hình dữ liệu Raster Mô hình dữ liệu raster biểu diễn đối tượng không gian bởi một tập hợp các ô lưới hình vuông và có kích thước nhất định gọi là cell hay pixel (picture element). Vị trí của đối tượng được xác định bởi vị trí của các ô vuông theo thứ tự hàng và cột. Mỗi ô ảnh chứa thông tin giá trị của một thuộc tính nào đó của đối tượng, như độ cao, nhiệt độ, giá trị phổ Mô hình dữ liệu raster thường được dùng để mô tả một bề mặt liên tục trong không gian. Dữ liệu raster bao gồm các loại ảnh – image (ảnh hàng không, ảnh vệ tinh, ảnh quét dùng để số hóa) và grid (dùng để phân tích và lập mô hình). c.Mô hình dữ liệu TIN (Triangular Irregular Networks) Mô hình dữ liệu TIN mô tả đối tượng bề mặt dưới dạng một mạng lưới tam giác không đều. Mạng lưới tam giác không đều này được xây dựng từ một tập hợp các điểm (vertices/points) được nối với nhau bởi các cạnh (edges). Mô hình TIN thích hợp để mô tả các bề mặt có diện tích nhỏ và yêu cầu độ chính xác cao như trong các lĩnh vực kỹ thuật. d. Dữ liệu dạng bảng ArcGIS cho phép kết nối trực tiếp với các dữ liệu dạng bảng và kết nối dữ liệu không gian với dữ liệu bảng biểu (thuộc tính). 3.2.2.5. Giao diện ArcGIS a. Phần mềm ArcGIS Desktop Phần mềm ArcGIS Desktop bao gồm 3 cấp bậc với mức độ chuyên sau khác nhau là: ArcView, ArcEditor, và ArcInfo. Arcview Cung cấp đầy đủ chức năng cho phép hiển thị, quản lý, xây dựng và phân tích dữ liệu địa lý, các công cụ phân tích không gian cùng với việc biên tập và phân tích thông tin từ các lớp bản đồ khác nhau, đồng thời thể hiện các mối quan hệ và nhận dạng các mô hình. ArcEditor Cung cấp chức năng dùng để chỉnh sửa và quản lý dữ liệu địa lý. ArcEditor bao gồm các tính năng của Arcview và thêm vào đó là một số các công cụ chỉnh sửa, biên tập. Arcinfo Là bộ sản phẩm phần mềm GIS đầy đủ nhất. Arcinfo bao gồm tất cả các chức năng của Arcview lẫn ArcEditor. Cung cấp các chức năng tạo và quản lý một hệ GIS, xử lý dữ liệu không gian và khả năng chuyển đổi dữ liệu, xây dựng dữ liệu, mô hình hóa, phân tích, hiển thị bản đồ trên màn hình máy tính và xuất bản bản đồ ra các phương tiện khác nhau. b. Giao diện phần mềm ArcGIS Desktop Phần mềm ArcGIS Desktop cho phép người dùng truy cập đồng thời hoặc lần lượt vào ba ứng dụng ArcMap, ArcCatalog, ArcToolbox. Hình 3.2. Giao diện phần mềm ArcGIS Desktop ArcMap Dùng để xây dựng, hiển thị, xử lý và phân tích các bản đồ như: Tạo các bản đồ từ nhiều loại dữ liệu khác nhau Truy vấn dữ liệu không gian để tìm kiếm và hiểu mối liên hệ giữa các đối tượng không gian Tạo các biểu đồ Hiển thị trang in ấn ArcCatalog Dùng để lưu trữ, quản lý hoặc tạo mới các dữ liệu địa lý như: Tạo mới một cơ sở dữ liệu Khai thác và tìm kiếm dữ liệu Xác định hệ thống tọa độ cho cơ sở dữ liệu ArcToolbox Cung cấp các công cụ xử lý không gian, phân tích GIS, xuất – nhập các dữ liệu từ các định dạng khác như MapInfor, MicroStation, AutoCAD CHƯƠNG 4 PHÂN TÍCH DỮ LIỆU 4.1 Phương pháp thành lập DEM 4.1.1 Từ đường đồng mức Đây là phương pháp tiêu chuẩn để xây dựng DEM trong môi trường GIS. Đối với một khu vực, một số thông tin về địa hình có sẵn, việc xây dựng một DEM từ các đường đồng mức phải qua một số bước sau: Bước 1: Số hóa các đường đồng mức, có thể thực hiện qua một trong 2 cách sau: Số hóa tự động quét ảnh (scanning): chuyển các thông tin từ ảnh chụp hay bản đồ sang dạng tệp in raster. Để có kết quả tốt, bản đồ đường đồng mức không nên kèm các thông tin khác. Sau đó bản đồ được chuyển sang dạng vector bằng các phần mềm chuyên dụng nhưng mỗi đường đồng mức phải được gán mã bằng tay. Nếu ảnh nguồn không rõ ràng thì phương pháp này tốn công hơn việc số hóa bằng bàn số hóa (digitizing). Số hóa bằng thủ công: Dùng bàn số hoá để số hóa các đường đồng mức vẫn được coi là phương pháp tiêu chuẩn để xây dựng một DEM. Mỗi đường đồng mức được số hóa riêng lẻ và được gán mã thể hiện độ cao tương ứng. Bước 2: Raster hóa các đường đồng mức: được thực hiện bởi các chức năng rasterizing của các phần mềm chuyên dụng. Vấn đề quan trọng ở đây là việc chọn kích thước của các pixel mà các đường đồng mức chạy qua được tự động gán giá trị bằng độ cao của chính đường đồng mức đó. Bước 3: Nội suy các đường đồng mức đã được raster hóa: Từ các đường bình độ chuẩn được raster hóa có thể nội suy ra các đường đồng mức khác, do vậy mỗi pixel trong bản đồ sẽ nhận giá trị cho điểm trung tâm của pixel. Bước 4: Xây dựng mô hình TIN (hình 4.1), thường được thực hiện với sơ đồ Voronoi. Sơ đồ Voronoi: Giả sử trong một mạng điện thoại của thành phố, mỗi máy điện thoại sẽ được nối với một cột điện thoại gần nhất do vậy ta phải chia thành phố thành nhiều vùng, mỗi vùng có duy nhất một cột và khoảng cách từ mỗi vị trí trong vùng đến cột trong vùng đó là ngắn nhất. Kết quả của phân hoạch này là sơ đồ Voronoi. Sơ đồ Voronoi có thể được tóm tắt như sau. Gọi P = {p1, p2...,pn} là tập hợp n điểm nằm trong mặt phẳng hai chiều. Ta chia (phân hoạch), mặt phẳng thành n đa giác sao cho bất kỳ điểm vị trí nào nằm trong một đa giác i đều có khoảng cách đến điểm i ngắn hơn khoảng cách từ nó đến các điểm vị trí pk khác. Sơ đồ đa giác này gọi là sơ đồ Voronoi V (pi) và được biểu diễn bằng ngôn ngữ toán học như sau: Hình4.1: Sơ đồ Voronoi Sơ đồ Voronoi có rất nhiều ứng dụng trong hình học giải tích, hình học đồ họa và GIS: Xác định vùng lân cận gần nhất (Nearest neighbor search) – Khi phải xác định vùng lân cận gần nhất của một điểm (vị trí) cho trước trong tổng số N điểm thì vùng đó chính là đa giác bao quanh điểm đó trong sơ đồ Voronoi. Xác định vị trí phục vụ hợp lý (facility location) – Ví dụ mạng lưới cửa hàng siêu thị muốn lập một cửa hàng mới và điều đầu tiên là xác định vị trí mới thích hợp. Vị trí mới này phải thỏa mãn yêu cầu ít ảnh hưởng nhất đến lượng khách hàng của các siêu thị đang vận hành hay nói cách khác là càng xa các siêu thị hiện có càng tốt. Người ta có thể sử dụng sơ đồ Voronoi bằng cách so sánh và phân tích tất cả các cạnh thẳng trong sơ đồ của vị trí các siêu thị hiện có. Hình tròn rỗng lớn nhất (largest empty circle) – Ví dụ ta cần tìm một vùng đất lớn chưa phát triển (dân cư và dịch vụ công cộng) để xây một nhà máy mới. Điều kiện là mảnh đất đó phải càng cách ly được tối đa các điểm dân cư hay công cộng. Đây là bài toán tương tự như trường hợp xác định vị trí hợp lý. Quy hoạch đường (path lanning) – Khi các điểm vị trí trong sơ đồ là các trở ngại bất thuận lợi cho giao thông mà đường đi cần tránh xa thì các cạnh của đa giác trong sơ đồ Voronoi chính là các đoạn đường bảo đảm tránh được xa nhất các trở ngại. Trong GIS, sơ đồ Voronoi được áp dụng để hình thành các chức năng biến đổi đối tượng raster sang vector nhờ kỹ thuật xây dựng mô hình TIN. 4.1.2 Tải DEM từ nguồn dữ liệu mở Hướng dẫn tải mô hình số độ cao (Digital Elevation Model- DEM) miễn phí ở độ phân giải không gian 30m, 90m tại trang web: https://lpdaac.usgs.gov/. 4.1.3 Hiển thị DEM Sự biến đổi giá trị độ cao địa hình trên một vùng đất có thể được mô 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 1.1 Phương pháp biểu thị mặt cong địa hình 1. Phương pháp toán học Toàn vùng Dãy Fourier Đa thức bậc bốn bội Chi tiết Chia vùng đồng đều Chia vùng không đồng đều 2. 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) 4.1.3.1 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 mô 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 vuông 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). 4.1.3.2 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 mô hình lưới đều GRID (Regular Rectangular Grid) hay lưới tam giác không đều TIN (Triangular Irregular Network). Mô hình lưới đồng đều hay còn gọi là ma trận độ cao được thành lập từ việc phân tích lập thể ảnh hàng không hoặc có thể thông qua việc nội suy từ lưới dữ liệu quan trắc độ cao. Do máy tính có khả năng xử lý ma trận dễ dàng nên dữ liệu loại mô hình GRID này rất phổ biến, được sử dụng cho các hệ GIS dạng raster. Trong mô hình raster GRID này vùng địa hình được chia thành các ô (cell) trên cơ sở hàng và cột. Mỗi một ô chứa độ cao của điểm trung tâm của ô. Ma trận độ cao được sử dụng để thành lập đường đồng mức, tính toán độ dốc, hướng dốc và xác định đường biên các lưu vực sông. Tuy vậy, phương pháp lưới đồng đều này có các nhược điểm sau: - Tồn tại số lượng dữ liệu không cần thiết tại các vùng có địa hình đồng nhất; -Không có khả năng thích ứng để biểu thị các vùng có địa hình phức tạp trừ lúc thay đổi toàn bộ kích thước ma trận. Như vậy, lưới đồng đều không có khả năng biểu thị các vùng địa hình thay đổi đột ngột như các khe vực, hố lồi lõm và sông ngòi. Hạn chế này có thể gây sự nhầm lẫn trong khi đánh giá kết quả phân tích địa hình. TIN được coi là phương pháp thuận tiện và kinh tế hơn. Mô hình TIN là thể hiện vector của cấu trúc địa hình, bao gồm các dãy tam giác không đều không phủ lên nhau và bao trùm toàn bộ bề mặt địa hình, mỗi một tam giác xác định một mặt phẳng. TIN, theo khái niệm hình học là tập các đỉnh nối với nhau thành các tam giác. Mỗi một tam giác được giới hạn bởi 3 điểm đặc trưng về giá trị X, Y và Z (độ cao). Các tam giác này hình thành một bề mặt 3 phía, có độ dốc và hướng dốc. TIN có khả năng biểu diễn bề mặt liên tục từ tập điểm dữ liệu rời rạc và được coi như tập hợp các tam giác có các thuộc tính về độ dốc, diện tích và hướng. Hình 4.2 thể hiện cấu trúc mô hình TIN và hình 4.3 trình bày mô hình TIN trong thực tế khi thường phải thể hiện sự thay đổi kích thước lưới theo yêu cầu biến đổi của dữ liệu. Hình IV.11 là ví dụ về áp dụng TIN và kỹ thuật tô bóng để thể hiện độ cao địa hình một khu vực Hình 4.2 Một số dạng mô hình số độ cao Hình 4.3 Ứng dụng TIN để biểu thị sự biến động độ cao địa hình 4.2 Ứng dụng của DEM Trước khi mô hình độ cao DEM xuất hiện thì người ta sử dụng rất nhiều kỹ thuật để đánh giá độ dốc và độ lồi lõm của địa hình. Với DEM thì các công việc này trở nên nhanh chóng và thuận tiện, không cần nhiều công sức như trước đây. Sau khi dữ liệu độ cao địa hình đã được chỉnh lý và thể hiện bằng mô hình TIN thì ta có thể sử dụng nhiều công cụ của phần mềm TIN để tính toán độ dốc, hướng dốc và độ lồi lõm của vùng nghiên cứu. Sau đây là những công thức tính toán chủ yếu. Tính toán độ dốc. Trong các nghiên cứu tai biến trượt lở đất, nghiên cứu xói mòn không thể thiếu việc tính đến thông số độ dốc của khu vực nghiên cứu để thành lập các bản đồ độ dốc từ đó khoanh vùng các vùng có độ dốc lớn sẽ có nguy cơ trượt lở hay xói mòn cao hơn các vùng có độ dốc nhỏ. Đây là một trong những thông tin chỉ tiêu đánh giá chính giúp các nhà nghiên cứu thiên tai hay xói mòn đất có thể khoanh vi các khu vực có tiềm năng và đưa ra những cảnh báo và biện pháp xử lý. Nguyên lý tính độ dốc trên DEM: a h -độ dốc : góc α - độ dốc (%) = tan (α) = ha Độ dốc của Pixel là S = Δx2+ Δy2/2. Nếu s ≤ 1 thì độ dốc % = S x 100 Nếu s > 1 thì độ dốc % = 200 – 100/S độ dốc theo độ = tan-1 (s) x 180 / π Ví dụ : ∆x1 = 25 – 10 = 15 ∆y1 = 10 – 20 = -10 ∆x2 = 25 – 22 = 3 ∆y2 = 20 – 24 = -4 ∆x3 = 18 – 20 = -2 ∆y3 = 25 – 18 = 7 Δx = 15+3-230 x 3 = 0.177 Δy = -10-4+730 x 3 = -0.076 10 20 25 22 30 25 20 24 18 Vì s ≤ 1 độ dốc (%) = 0,0967 x 100 = 9,67 % độ dốc (độ) = tan-1 (s) x 180/ π = tan-1(0,0967) x 57,30 = 5,540 Tính hướng dốc Đi cùng với tính toán độ dốc thì việc tính toán hướng dốc cũng là điều không thể thiếu trong đánh giá các tai biến địa chất. Biết được hướng dốc giúp ta phân tích được nguy cơ trượt lở theo phương nào trên bản đồ từ đó đưa ra được những phán đoán phân tích chính xác trong việc phòng tránh tai biến trượt lở của đất đá. Công thức tính hướng dốc Φ = tan-1 (ΔxΔy). Ví dụ : Δx = 15+5-23 =5.35 Δy =-10-4+73 = -2.33 10 20 25 22 30 25 20 24 18 Như vậy hướng dốc bằng 180 + θ (theo độ) Theo ví dụ trên thì: θ = tan -1 (5,33/ -2,33) = 1,98 1,98 radian = 113,6 Vậy hướng dốc = 180 + 113,6 = 293,60. Phân chia lưu vực Lưu vực là phần diện tích bề mặt đất trong tự nhiên mà lượng nước mưa khi rơi xuống sẽ tập trung lại và thoát qua một cửa ra duy nhất. Trên thực tế, lưu vực thường được đề cập đến là lưu vực sông và toàn bộ lượng nước trên sông sẽ thoát ra cửa sông. Việc xác định và phân chia lưu vực là một trong những công việc quan trọng và là dữ liệu đầu vào không thể thiếu trong các mô hình thủy văn. Thành lập bản đồ bóng địa hình Các nhà vẽ bản đồ đã tạo ra nhiều phương pháp để cải tiến việc thể hiện trực quan của bản đồ, nhất là dạng địa hình của vùng đồi núi. Một trong những kỹ thuật thành công nhất là cách tô bóng địa hình được tạo ra chủ yếu bởi trường phái nghệ nhân bản đồ Thụy Sĩ và Áo. Kỹ thuật này có nguồn gốc ở thể loại nghệ thuật hội họa thời phục hưng, với việc đánh bóng và thể hiện ánh sáng để thể hiện hình ba chiều. Phương pháp thủ công này dùng bút vẽ để đánh bóng mặc dù thường tạo ra hình ảnh rất ấn tượng nhưng có giá thành rất cao và chủ yếu phụ thuộc vào kỹ năng và trí tưởng tượng của nghệ sĩ. Người ta cũng cho rằng các nghệ nhân bản đồ này phải là người sinh sống ở vùng núi. Từ khi xuất hiện bản đồ số, rất nhiều chuyên gia bản đồ đã nghĩ đến khả năng tạo bóng cho bản đồ địa hình một cách tự động, chính xác và dễ lặp lại. Nguyên tắc phương pháp tạo bóng cho địa hình là hình dung hình ảnh địa hình được chiếu sáng từ một vị trí nhất định. Kết quả tương tự một ảnh hàng không do việc sử dụng các gam màu sáng tối khác nhau. Tuy vậy bản đồ số địa hình có nhiều điểm khác biệt so với ảnh hàng không. Trước hết bản đồ tô bóng này không biểu thị đúng hình ảnh mặt đất mà chỉ là của bề mặt đã số hóa của mặt đất. Thứ hai là nguồn ánh sáng tưởng tượng trong bản đồ tô bóng thường được chọn ở góc bằng hoặc lớn hơn 45o phía trên đường chân trời phía Tây – bắc. Góc chiếu sáng này có tính chất nhân tạo mà rất khó có khả năng xẩy ra trong thực tế thiên văn. Điểm khác biệt thứ ba nằm ở bản chất của mô hình độ cao DEM bởi mô hình này đã là sự đơn giản hóa bởi số lượng hạn chế số điểm dữ liệu và không thể thể hiện hết tất cả các chi tiết của địa hình thực tế. 4.2.5 Bản đồ đường đồng mức Các đường đồng mức có thể dễ dàng thành lập bằng cách phân loại giá trị độ cao của các ô (cell) theo một thang độ độ cao nhất định và sau đó thể hiện các loại độ cao đó bằng các đường phân giới hay thể hiện bằng các màu sắc. Bản đồ đường đồng mức thường được tạo ra bằng cách cắt giao tiếp mô hình DEM địa hình với các mặt phẳng ngang theo phân loại độ cao địa hình. C.KẾT LUẬN VÀ KIỂN NGHỊ 1.Kết luận Đề tài đã hoàn thành được đúng các mục đích – yêu cầu đề ra, đó là thành lập được các bản đồ DEM cho khu vực Thái Nguyên với độ phân giải 30m và 90m. Ứng dụng các công nghệ GIS để thành lập được bản đồ mô hình số độ cao cho khu vực Thái Nguyên có ý nghĩa ứng dụng cao góp phần cho các nhà nghiên cứu giải đoán được những cấu trúc kiến tạo – địa mạo, tạo mô hình để mô phỏng địa hình, tạo ra các lớp dữ liệu liên quan đến địa hình, thủy văn. Sản phẩm của đề tài khoa học này có độ chính xác cao và hoàn toàn có thể mang ứng dụng trong thực thế không chỉ cho tỉnh Thái Nguyên mà còn áp dụng được cho tất cả các vùng khác. 2.Kiến nghị Do thời gian nghiên cứu và kiến thức còn hạn chế nên chúng tôi chỉ đưa ra được một số ứng dụng, trong thời gian tới chúng tôi sẽ tiếp tục nghiên cứu sâu hơn về các ứng dụng của DEM nhằm giải quyết các bài toán liên quan đến DEM. 3.Tài liệu tham khảo(Chú thích) [1]- Nghị quyết số 24-NQ/TW, ngày 03-6-2013, của Ban Chấp hành Trung ương khóa XI về Chủ động ứng phó với biến đổi khí hậu, tăng cường quản lý tài nguyên và bảo vệ môi trường đã định hướng toàn diện công tác quản lý tài nguyên đến năm 2020 và tầm nhìn đến năm 2050. [2]- Số 35/2014/TT-BTNMT _Ngày 30/06/2014_Thông tư Quy định việc điều tra, đánh giá đất. [3]- Số 34/2014/TT-BTNMT_Ngày 30/06/2014_ Thông tư Quy định về xây dựng, quản lý, khai thác hệ thống thông tin đất đai. [4] Lại Tuấn Anh, Hoàng Xuân Thành Tài liệu hướng dẫn thực hành hệ thống thông tin địa lý sử dụng phần mềm ArcGIS 10.1. .