Chương IV THU THẬP DỮ LIỆU CHO GIS

Kỹ thuật viễn thám và hệ thống thông tin địa lý



Bộ môn tính toán thuỷ văn



4.2 Số hoá

Số hoá có thể được thực hiện bằng

phương pháp thủ công;

phương pháp bán thủ công;

phương pháp tự động.



Bàn số hoá

Các điểm kiểm soát

Bản đồ giấy

Chuột



╝

Hình 4.2: Sơ đồ bàn số hoá

Số hoá là phương pháp đơn giản, rẻ và phổ biến nhất để số hoá bản đồ giấy. Phương pháp

này được thực hiện trên nguyên tắc là vị trí của con chuột có thể được xác định khi ta di nó trên

mặt bản đồ giấy. Độ chính xác có thể đạt từ 0,075mm đến 0,25mm. Bàn số hoá có kích thước từ

30x60cm (cho loại bản đồ nhỏ) cho đến kích thước lớn hơn như 120x80cm (Longley et.al,

2001). Phương pháp thủ công ghi lại toạ độ của con chuột khi ta nhấn chuột tại vị trí đối tượng

cần thiết.

Phương pháp bán thủ công sẽ tự động ghi lại toạ độ sau mỗi một khoảng thời gian hoặc

khoảng cách định trước trong khi ta di chuột trên bản đồ (ví dụ như sau mỗi 0,5cm hoặc 0,25

giây). Đây là phương pháp nhanh hơn, nhưng thường sẽ tạo ra file dữ liệu lớn hơn mức cần thiết

với nhiều toạ độ thừa.



Hình 4.3: Phương pháp số hoá thủ

công



Hình 4.4: Phương pháp số hoá bán thủ

công



Phương pháp tự động có thể được sử dụng sau khi ta đã có raster nền của bản đồ trong

máy tính (tức là sau khi bản đồ giấp đã được quét đưa vào máy tính). Phương pháp này không



131



Kỹ thuật viễn thám và hệ thống thông tin địa lý



Bộ môn tính toán thuỷ văn



cần dùng đến bàn số hoá như hai phương pháp trên mà sử dụng phần mềm để biến đổi toàn bộ

raster nền sang dạng vector qua một lệnh duy nhất. Tuỳ thuộc vào dung lượng của file raster nền

mà phương pháp này cần 1 - 100 phút để thực hiện. Tuy nhiên, phương pháp này chưa đạt được

sự hoàn hảo cần thiết và phải đòi hỏi thêm công đoạn đính chính sửa lỗi. Để giảm thiểu công

đoạn đính chính, raster nền cần được đính chính sơ bộ để loại bỏ bớt nhiễu. Ví dụ như các chú

thích chữ đè lên đường cần được loại bỏ, các đường đứt nét cần chuyển thành đường liền

(Longley et.al, 2001).

Sau khi tiến hành số hoá cần phải thực hiện việc chuyển đổi hệ toạ độ từ hệ thống số hoá

sang hệ thống toạ độ thực của trái đất (ví dụ như hệ lưới quốc gia). Ngoài ra, quá trình số hoá

luôn có thể có lỗi nối đường (như ngắn đường, dài đường, tạo tam giác thừa).



Hình 4.5: Lỗi số hoá thông thường

Quá trình sửa lỗi số hoá bao gồm các việc hiệu chỉnh sai lệch, truy cập dữ liệu còn thiếu,

thiết lập quan hệ topo.

4.3 Quét bản đồ (scanning)

Ta thực hiện quét bản đồ với mục đích:

Tạo ảnh raster nền để thiết lập bản đồ số

Chuyển đổi dữ liệu đã quét sang dữ liệu dạng vector để dùng trong GIS vector

Một số yêu cầu đối với bản đồ gốc:

Phải là bản đồ có chất lượng cao với các đường nét, ký hiệu rõ ràng

Phải sạch sẽ, không có vết ố, loang

Đường phải có chiều rộng 0,1mm hoặc lớn hơn

Quá trình quét bao hàm 2 bước tự động hoá sau đây:

Bước quét -> tạo ra lưới các ô vuông (phần tử ảnh) có các giá trị độ xám (gray-scale)

khác nhau, thường từ 0 đến 255

Bước mã hoá nhị phân (để làm nổi đường trên phần nền- ví dụ ô thể hiện đường sẽ có mã

1, các ô còn lại có mã 0)



132



Kỹ thuật viễn thám và hệ thống thông tin địa lý



Bộ môn tính toán thuỷ văn



Hình 4.6: Mã hoá nhị phân

Chỉnh sửa dữ liệu đã quét bao gồm:

Nhận biết các vùng, ký hiệu

Làm mỏng và vector hoá các đường

Chỉnh lỗi

Bổ sung dữ liệu thiếu hụt

Xây dựng quan hệ topo



Hình 4.7: Vector hoá bản đồ dựa trên nền Raster được quét

4.4 Đo đạc thực địa và thu nạp toạ độ thủ công

Trong phương pháp này người ta đo góc và khoảng cách từ những điểm đã biết trước để

xác định vị trí của điểm cần đo. Các dữ liệu đo đạc vì vậy thường được ghi dưới dạng toạ độ góc

và sau đó được chuyển sang dạng toạ độ vuông x,y thông thường. Dữ liệu đo đạc được dùng

trong GIS khi ta cần bản đồ với độ chính xác cao. Việc tra dữ liệu tọa độ thủ công đòi hỏi nhiều

thời gian, gấp 2-3 lần so với phương pháp số hoá (Hunter, 2001).



Hình 4.8: Đo đạc thực địa



133



Kỹ thuật viễn thám và hệ thống thông tin địa lý



Bộ môn tính toán thuỷ văn



4.5 Ảnh hàng không và diễn giải ảnh hàng không

Việc sử dụng ảnh hàng không kết hợp với phân tích ảnh có thể đưa lại thông tin về một

vùng tương đối rộng lớn mà không cần phải khảo sát thực địa. Các đối tượng địa lý như đường

giao thông, ao hồ, sông suối, công trình xây dựng, trang trại và rừng có thể được nhận biết tương

đối dễ ràng trên ảnh hàng không. Các đặc điểm khác như thảm thực vật, loại đất và các kiến tạo

địa chất thì nhận biết khó hơn. Tuy vậy người có nhiều kinh nghiệm có thể nhận được khá nhiều

thông tin qua ảnh hàng không.

Việc chồng cặp ảnh có thể được sử dụng để hình thành ảnh không gian 3 chiều (3D) qua

đó đem lại cảm nhận về độ cao các đối tượng trong ảnh.

Thông qua diễn giải ảnh hàng không, người phân tích ảnh phân loại đối tượng trong ảnh

và đưa dữ liệu mới này vào hệ thống quản lý dữ liệu, hoặc để cập nhật thông tin đã có từ trước.



Hình 4.9: Ảnh hàng không



Hình 4.10: Diễn giải và phân vùng ảnh hàng không



134



Kỹ thuật viễn thám và hệ thống thông tin địa lý



Bộ môn tính toán thuỷ văn



4.6 Xây dựng bản đồ ảnh 3D

Phương pháp này sử dụng các cặp ảnh số chập lên nhau và người ta sử dụng các thấu

kính 3D đặc biệt để số hoá toạ độ (x,y,z) của các đối tượng trong ảnh.

Trong qúa trình bay chụp ảnh, toàn bộ khu vực được bao trùm bởi các ảnh hàng không

với độ trùng lắp lên nhau thông thường là 60% theo từng đường bay và 20% giữa hai đường bay.

Cặp thấu kính 3D chỉ cho phép mắt phải nhìn được ảnh phải và mắt trái nhìn được ảnh

trái. Khi 2 ảnh được đưa vào vị trí tương đối thích hợp, não bộ sẽ cảm nhận được ảnh 3D. Với

mô hình này, người ta dùng các tia ánh sáng cho đi qua cặp thấu kính và máy tính sẽ ghi nhận lại

hình ảnh 3D (Zerger, 2000).



Hình 4.11: Xây dựng bản đồ ảnh 3D

4.7 Hệ thống định vị toàn cầu (GPS)

Hệ thống định vị toàn cầu GPS là một tập hợp các phần cứng và phần mềm dùng để xác

định vị trí chính xác của một đối tượng nào đó trên bề mặt trái đất bằng cách sử dụng các tín hiệu

nhận được từ một số vệ tinh nhất định. Tín hiệu này được xử lý bởi bộ thu GPS và cho phép tính

toán vị trí, tốc độ và thời gian bù trừ.



135



Kỹ thuật viễn thám và hệ thống thông tin địa lý



Bộ môn tính toán thuỷ văn



Để tính toán được vị trí trong không gian ba chiều (X, Y, Z) và thời gian GPS (T) thì cần

có tín hiệu từ bốn vệ tinh.



Hình 4.12: Hệ thống GIS

Hệ thống vệ tinh định mức sử dụng cho GPS bao gồm có 24 vệ tinh quay trên quỹ đạo

xung quanh trái đất với độ cao khoảng 20.200 km. Trên thực tế sẽ có nhiều hơn số 24 này bởi vì

những vệ tinh mới được phóng lên dần thay thế những vệ tinh cũ. Mỗi một vệ tinh hầu như thực

hiện được một vòng quay trọn vẹn mỗi ngày (vì trái đất quay quanh mình mỗi ngày). Có sáu mặt

phẳng quỹ đạo (mỗi mặt phẳng chứa 4 vệ tinh) được bố trí cách đều nhau (cách nhau 60o) và

nghiêng so với mặt phẳng xích đạo khoảng 55o. Với cách bố trí hệ thống vệ tinh này thì tại bất

kỳ một điểm nào trên bề mặt trái đất cũng có thể nhìn thấy từ 5 đến tám vệ tinh (Hunter, 2001).



Hình 4.13: Hệ thống vệ tinh sử dụng cho GPS



136



Kỹ thuật viễn thám và hệ thống thông tin địa lý



Bộ môn tính toán thuỷ văn



Các dữ liệu về vị trí và các thuộc tính đi kèm có thể được nhập vào hệ thống GIS. GPS

thu thập dữ liệu của điểm, đường hoặc vùng theo một tập hợp bất kỳ phù hợp cho việc sử dụng

trong GIS. Hơn nữa với GPS ta có thể tạo ra một “từ điển” dữ luệ phức tạp để thu thập các dữ

liệu đặc tính một cách hiệu quả. Điều này làm cho GPS trở thành một công cụ hữu hiệu có thể

đồng thời thu thập dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc tính (spatial and attribute data) dùng cho

GIS.

GPS được dùng trong các trường hợp như sau:

Lựa chọn vị trí cho các trạm tham chiếu đo đạc và nâng cấp độ chính xác của các trạm

cũ.

Đo đạc các địa hình dốc mà ở đó khó áp dụng các biện pháp thông thường

Định vị các trạm dầu ngoài khơi

Cập nhật thông tin đường giao thông với bộ thu trong xe

Vận hành hàng hải

Xác định vị trí máy bay để giảm bớt sự phụ thuộc vào các điểm cố định đánh dấu trên

mặt đất trong chụp ảnh hàng không

Thu nạp trực tiếp toạ độ dùng trong GIS tại thực địa với máy tính xách tay và bộ thu GPS

Bộ thu GPS có giá cả dao động từ vài trăm USD đến vài chục nghìn USD. Hệ thống GPS

thường dựa vào vệ tinh (3 vệ tinh) và có độ chính xác từ vài trăm m đến vài cm.

Hệ thống thu GPS có thể là một trong các dạng sau đây:

Bộ thu cầm tay nhỏ

Dạng đeo tay như “Đồng hồ James Bond”

Bộ thu dùng trong ôtô

Bộ thu đeo như ba lô

Hệ thống gắn theo máy bay hoặc tầu thuỷ

Bộ thu đeo vào thắt lưng và được kết nối trực tiếp với máy tính xách tay

Bộ thu kết hợp với điện thoại di động

Hệ thống GPS bao gồm phần cứng và phần mềm. Phần cứng hệ thống gồm 3 phần:

ăngten, đầu thu, và bộ thu dữ liệu. Bộ thu dữ liệu là một vi tính cầm tay có chứa phần mềm để

chuyển đổi dữ liệu sang dạng toạ độ và lưu trữ, thao tác tập tin, và truyền/nhận tập tin từ máy

tính. Phần mềm hệ thống có 4 chức năng cơ bản: lập trình, nắn chỉnh số liệu thô của vệ tinh, đính

chính/hiển thị số liệu, và chuyển đổi/xuất dữ liệu (Hunter, 2001).

Việc lập trình bao gồm xác định các vệ tinh sẵn có theo thời điểm và không gian tương

ứng, chuẩn bị “từ điển dữ liệu” (data dictionaries) cho một mục đích cụ thể nào đó. Nắn chỉnh số

liệu bao gồm việc sử dụng tập tin của trạm gốc (base station file) để chuẩn xác lại dữ liệu thô

nhận được từ các vệ tinh qua đó nâng cao đáng kể độ chính xác của dữ liệu. Đính chính và hiển

thị dữ liệu có thể bao gồm trung bình hoá các điểm (averageing points), nối các điểm để tạo

đường, làm trơn, đo khoảng cách và diện tích, và hiển thị dữ liệu lên màn hình. Các phần mềm



137



Kỹ thuật viễn thám và hệ thống thông tin địa lý



Bộ môn tính toán thuỷ văn



GPS không phải công cụ tạo bản đồ (map-making) và vì vậy mọi đính chính cuối cùng sẽ được

thực hiện bởi các phần mềm trong GIS.

Việc chuyển đổi dữ liệu và xuất dữ liệu bao gồm khả năng chuyển đổi từ hệ kinh độ/vĩ độ

mà bộ thu nhận được sang một loạt các hệ thống toạ độ và hệ chiếu khác, sau đó xuất dữ liệu này

để sử dụng trong GIS.

4.8 Dữ liệu viễn thám

Viễn thám là một khoa học thu thập, nghiên cứu thông tin về bề mặt trái đất một cách

gián tiếp từ xa sử dụng các vệ tinh hoặc các thiết bị bay khác mà sản phẩm của nó là các ảnh vệ

tinh hoặc ảnh hàng không.

Viễn thám dựa vào việc ghi nhận các năng lượng phát ra hoặc được phản xạ lại từ các đối

tượng được nghiên cứu. Viễn thám cho phép đo đạc và theo dõi sự biến đổi của sóng điện từ bề

mặt trái đất, và đó là cách nghiên cứu đặc biệt bề mặt trái đất. Viễn thám là một nguồn thông tin

duy nhất qua đó ta có thể xem xét được trái đất một cách toàn diện, theo dõi sự thay đổi của bề

mặt trái đất theo thời gian một cách khách quan, có hệ thống, liên tục và tổng thể. Các vệ tinh

viễn thám gồm: Landsat, NOAA-AVHRR, SPOT, IRS sêri, Vệ tinh môi trường và Vệ tinh

Radar, v.v… (Zerger, 2000)



Hình 4.14: Một số vệ tinh viễn thám



Hình 4.15: Một số ví dụ ảnh vệ tinh

138



Kỹ thuật viễn thám và hệ thống thông tin địa lý



Bộ môn tính toán thuỷ văn



Khi sử dụng viễn thám vệ tinh, mối quan hệ giữa việc đặc tính quang phổ và tính chất

của đối tượng trên bề mặt trái đất trở lên phức tạo hơn vì mỗi điểm lưới, với kích thước dao động

từ 10m đến 1 km (tuỳ thuộc vào độ phân giải của nguồn dữ liệu sử dụng) thường không đồng

nhất, có thể là tập hợp của vài loại hình đối tượng. Sự phản ánh quang phổ của điểm lưới đó

trong trường hợp này đã bị trung bình hoá để có được một đại lượng duy nhất. Vì vậy, phương

pháp viễn thám chỉ có hiệu quả khi loại hình đối tượng, hoặc phân nhóm đối tượng, có kích

thước lớn hơn độ phân giải (kích thước của 1 điểm lưới)



Hình 4.16: Kích thước đối tượng và độ phân giải trong viễn thám

4.9 Chuyển đổi dữ liệu

4.9.1Giới thiệu

Quá trình thao tác dữ chuyển đổi dữ liệu được dùng để chuyển tập hợp dữ liệu số sang

dạng thích hợp cho việc lưu giữ, xử lý và hiển thị trong GIS. Hầu hết các dữ liệu số đều đòi hỏi

một mức độ sơ chế và thao tác nào đó để làm cho nó phù hợp với một dạng dữ liệu nhất định, hệ

tham chiếu địa lý nhất định, hoặc model dữ liệu phù hợp với GIS. Kết quả cuối cùng của thao tác

dữ liệu là tập hợp toạ độ của các lớp dữ liệu chuyên đề.

Thao tác dữ liệu bao gồm:

chuyển đổi dạng dữ liệu (format conversion)

tinh giản và tổng quát hoá dữ liệu

phát hiện và sửa lỗi

thao tác bản đồ (map sheet manipulation)

trừu tượng hoá bản đồ (map abstraction)

4.9.2. Chuyển đổi mô hình dữ liệu

Việc chuyển đổi thường áp dụng nhất là chuyển đổi dữ liệu vector sang raster

(rasterisation) hoặc ngược lại (vectorisation)

Giải thích cơ chế rasterisation:

Bước 1: Các vùng được mã hoá

Bước 2: Lưới các ô đều nhau được chồng lên, các vùng chứa tâm điểm ô được xác định

Bước 3: Các ô được nhận một giá trị bằng mã của vùng mà tâm điểm của ô thuộc về vùng đó



139



Kỹ thuật viễn thám và hệ thống thông tin địa lý



Bộ môn tính toán thuỷ văn



Hình 4.17: Chuyển đổi từ Vector sang Raster

Giải thích cơ chế vectorisation:

Bước 1: Mỗi 1 ô lưới được nhận một giá trị thuộc tính

Bước 2: Ranh giới tập hợp các ô cùng thuộc tính được hình thành

Bước 3: Vùng được hình thành bởi tập hợp toạ độ các điểm giáp ranh



Hình 4.18: Chuyển đổi từ Raster sang Vecto



Câu hỏi chương IV.

1.

2.

3.

4.

5.



Số hoá và quét bản đồ.

Ảnh hàng không và diễn giải ảnh hàng không.

Hệ thống định vị toàn cầu.

Dữ liệu viễn thám.

Chuyển đổi dữ liệu



140



Kỹ thuật viễn thám và hệ thống thông tin địa lý



Bộ môn tính toán thuỷ văn



Chương V PHÂN TÍCH, XỬ LÝ THÔNG TIN ĐỊA LÝ TRONG GIS

5.1 Giới thiệu

Điều làm GIS khác biệt với các hệ thống thông tin khác là khả năng xử lý dữ liệu không

gian của nó. Chức năng xử lý này cũng sử dụng cả dữ liệu phi không gian (thuộc tính) trong GIS

để trả lời câu hỏi về thế giới thực. Một hệ thống thông tin địa lý cho phép thực hiện một cách đa

dạng các kỹ thuật mô hình hoá và các chức năng trợ giúp người sử dụng GIS trong quá trình

phân tích này.

Các đặc điểm không gian cơ bản (hình 35) bao gồm:

chiều dài

thể tích

chu vi và diện tích

hình dáng

độ nhô ra vào

độ dốc

tâm điểm (trọng tâm; điểm giữa,…)



Hình 5.1 : Các đặc điểm không gian cơ bản



141