thành lập bản đồ 3d tỷ lệ lớn trên cơ sở kết hợp công nghệ viễn thám, hệ thông tin địa lý và bản đồ số

1

Đại học quốc gia hà nội
tr-ờng Đại học khoa học tự nhiên
khoa địa lý


Hà nhật bình



Thành lập bản đồ 3d tỷ lệ lớn
trên cơ sở kết hợp công nghệ viễn thám,
hệ thông tin địa lý và bản đồ số


Chuyên ngành: Bản đồ, Viễn thám và Hệ thông tin địa lý
Mã số: 60.44.76


Luận văn thạc sĩ khoa học


Ng-ời h-ớng dẫn khoa học
PGS. TS Nguyễn Trần Cầu



Hà Nội - 2011

1
MỤC LỤC

Mục
Nội dung
Trang

MỞ ĐẦU

1
Tính cấp thiết của đề tài.
1
2
Mục tiêu của đề tài.
3
3
Nhiệm vụ nghiên cứu.
3
4
Giới hạn và phạm vi nghiên cứu.
3
5
Phương pháp nghiên cứu.
3
6
Cấu trúc luận văn.
4

Chƣơng 1: CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ PHƢƠNG PHÁP
NGHIÊN CỨU

1.1
Bản đồ số và cấu trúc dữ liệu bản đồ số.
5
1.1.1
Khái niệm.
5
1.1.2
Đặc điểm chính.
6
1.1.3
Tính chất của bản đồ số.
8
1.1.4
Cấu trúc dữ liệu của bản đồ số.
9
1.2
Công nghệ Viễn thám, đặc điểm của tƣ liệu viễn thám, khả
năng khái thác tƣ liệu viễn thám trong thành lập bản đồ 3D.
12
1.2.1
Tổng quan về tư liệu viễn thám.
12
1.2.2
Xử lý thông tin viễn thám và khả năng khai thác tư liệu viễn
thám trong thành lập bản đồ 3D.
21
1.3
Đặc điểm của công nghệ GIS, vai trò và chức năng của GIS
thành lập bản đồ 3D.

21
1.3.1
Định nghĩa về GIS.
21
1.3.2
Các thành phần cơ bản của GIS.
22
1.3.3
Tầm quan trọng của GIS.
25
1.3.4
Chức năng cơ bản của GIS.
26
1.3.5
Cơ sở dữ liệu của GIS.
34
1.4
Khả năng và nguyên tắc kết hợp công nghệ Viễn thám và
GIS để thành lập bản đồ 3D tỷ lệ lớn.
37

2
1.4.1
Ý nghĩa của việc tích hợp (liên kết) dữ liệu Viễn thám và GIS.
38
1.4.2
Liên kết dữ liệu viễn thám và GIS.
39
1.5
Cơ sở khoa học của việc kết hợp giữa công nghệ Bản đồ,

Viễn thám và GIS thành lập bản đồ 3D.
44
1.6
Phƣơng pháp nghiên cứu.
45

Chƣơng 2: ĐẶC ĐIỂM THÀNH LẬP BẢN ĐỒ 3D
48
2.1
Các phƣơng pháp xây dựng bản đồ 3D bằng tích hợp công
nghệ bản đồ số, Viễn thám và GIS.
48
2.1.1
Thành lập mô hình địa hình 3D từ ảnh máy bay.
48
2.1.2
Thành lập mô hình địa hình 3D từ mô hình địa hình có sẵn.
49
2.1.3
Thành lập mô hình địa hình 3D từ các nguồn ảnh viễn thám
khác.
51
2.2
Khả năng đáp ứng của tƣ liệu viễn thám thể hiện các đối
tƣợng địa lý trên bản đồ 3D tỷ lệ lớn.
53
2.3
Thu thập và xử lý thông tin, xây dựng cơ sở dữ liệu hệ thông
tin địa lý (GIS DataBase) phục vụ thành lập bản đồ 3D tỷ lệ
lớn.

55
2.4
Khả năng áp dụng của các phần mềm trong việc thành lập
bản đồ 3D.
57
2.4.1
MicroStation.
58
2.4.2
Autocad Nova Point Virtual Mapper 1.8
59
2.4.3
Multigen Creator v3.0.
60
2.4.4
ArcScene 9.3.
61
2.4.5
Imagine Virtual GIS 8.7; 9.0.
61
2.4.6
3D Studio Max.
62
2.4.7
IMAGIS.
62
2.4.8
SketchUp.
63
2.4.9

Terra Vista.
63
2.4.10
GeoConcept
64
2.4.11
Geomedia Professional 4.0.
64
2.5
Đề xuất phƣơng pháp xây dựng bản đồ 3D bằng tích hợp
65

3
công nghệ Bản đồ số, Viễn thám và Hệ thông tin Địa lý.

Chƣơng 3: ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ BẢN ĐỒ SỐ, VIỄN
THÁM VÀ HỆ THÔNG TIN ĐỊA LÝ THÀNH LẬP BẢN
ĐỒ 3D TỶ LỆ LỚN
66
3.1
Quy trình công nghệ thành lập bản đồ 3D tỷ lệ lớn trên cơ sở
kết hợp Viễn thám, GIS và công nghệ bản đồ số.
66
3.2
Khả năng áp dụng phần mềm Multigen và ArcGIS trong
việc thành lập bản đồ 3D.
67
3.2.1
Đo đạc ngoại nghiệp, chụp ảnh, xác định độ cao, quay video.
67

3.2.2
Thành lập bản đồ tỷ lệ lớn 1:500 - 1:2000 bằng máy toàn đạc
điện tử (dạng file *.dgn).
67
3.2.3
Ảnh vệ tinh, ảnh hàng không.
68
3.2.4
Xây dựng mô hình bằng phần mềm Multigen Creator 3.0
68
3.2.5
Kết quả đầu ra.
68
3.3
Kết quả thực nghiệm thành lập bản đồ 3D tỷ lệ lớn.
68
3.3.1
Tình hình tư liệu.
68
3.3.2
Các bước tiến hành.
69
3.3.3
Tạo mô hình độ cao DEM
74
3.3.4
Thể hiện các nhóm nội dung địa hình khu vực lên mô hình
DEM.
78
3.3.5

Phân tích và hiển thị mô hình địa hình 3D khu vực T82 - Sóc
Sơn.
82
3.3.6
Tương tác với dữ liệu.
85
3.3.7
Nhận định chung và đánh giá kết quả thử nghiệm.
87

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
89

Kết luận, kiến nghị.
90

Hướng nghiên cứu tiếp theo.
91

TÀI LIỆU THAM KHẢO
92




4
DANH MỤC HÌNH

Hình
Nội dung

Trang
Hình 1.1
Bản đồ raster.
9
Hình 1.2
Bản đồ vecter.
10
Hình 1.3
Nguyên lý viễn thám quang học.
12
Hình 1.4
Sơ đồ nguyên lý thu nhận và xử lý số liệu viễn thám
13
Hình 1.5
Một số khái niệm cơ bản về bức xạ điện từ và khả năng
khai thác thông tin.
14
Hình 1.6
Đặc trưng dải sóng dùng trong viễn thám.
16
Hình 1.7
Sơ đồ phân loại viễn thám theo bước sóng.
17
Hình 1.8
Bay chụp ảnh hàng không.
19
Hình 1.9
Ảnh hàng không độ phân giải cao.
19
Hình 1.10

Viễn thám vũ trụ.
20
Hình 1.11
Cấu trúc của GIS.
22
Hình 1.12
Xác định vùng đệm thể hiện mối quan hệ giữa các đối
tượng.
31
Hình 1.13
Chồng ghép các lớp thông tin.
32
Hình 2.1
Quy trình công nghệ thành lập mô hình địa hình 3D sử
dụng ảnh máy bay.
48
Hình 2.2
Quy trình công nghệ thành lập mô hình địa hình 3D từ mô
hình địa hình có sẵn.
49
Hình 2.3
Quy trình công nghệ thành lập mô hình địa hình 3D từ các
nguồn ảnh viễn thám.
52
Hình 3.1
Quy trình công nghệ.
66
Hình 3.2
Bản đồ 2D khu vực T82.
68

Hình 3.3
File *.dgn mô hình T82.
69
Hình 3.4
Export sang dxf.
70
Hình 3.5
File T82.dxf trong Multigen.
72
Hình 3.6
Ghép ảnh trong Photoshop.
72
Hình 3.7
Nhà N2.
73

5
Hình 3.8
Cổng hoàn chỉnh.
73
Hình 3.9
Tổng quan T82.
74
Hình 3.10
Export từ file dạng 2D sang dạng 3D.
75
Hình 3.11
Tạo mô hình TIN từ file địa hình 3D.
76
Hình 3.12

Mô hình TIN.
77
Hình 3.13
Mô hình GRID.
77
Hình 3.14
Sơ đồ tổ chức dữ liệu trong Geo DATABASE
78
Hình 3.15
Tạo mới một Geodatabase trong ArcCatalog.
79
Hình 3.16
Tạo mô hình lưới ban đầu.
80
Hình 3.17
Tạo mới một feature dataset.
81
Hình 3.18
Tạo nội dung các lớp đối tượng của T82 trong ArcMap.
82
Hình 3.19
Import các đối tượng vào mô hình.
83
Hình 3.20
Hộp thoại Layer Properties.
84
Hình 3.21
Tổng quan địa vật mô hình T82.
84
Hình 3.22

Quang cảnh bên trong T82.
85
Hình 3.23
Truy vấn cơ sở dữ liệu và thông tin thuộc tính các đối
tượng.
85
Hình 3.24
Tìm kiếm đối tượng cần hiển thị theo lệnh Select.
86














6

DANH MỤC THUẬT NGỮ

3D (3-Dimension): ba chiều
BĐĐH: Bản đồ địa hình
CAD (Computer Assisted Design)

CPU (Central Processing Unit): Bộ xử lý trung tâm
CSDL: Cơ sở dữ liệu
DBMS (database Management System): Hệ quản trị cơ sở dữ liệu
DEM (Digital Elevation Model): Mô hình số độ cao
Geo DATABASE: Cơ sở dữ liệu Địa lý
GIS (Geographic Infomation System): Hệ thông tin địa lý
GPS (Global Positioning System): Hệ định vị toàn cầu
GRID: Lưới ô vuông
RS (Remote Sensing): Viễn thám
TIN (Triangulated Inregular Network): Lưới tam giác không đều
VRML (Virtual Reality Modeling Language): Ngôn ngữ mô hình thực tế ảo
















7

Më ®Çu

1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong những năm gần đây, các công nghệ mới phát triển nhanh chóng, mạnh
mẽ như công nghệ bản đồ số, công nghệ viễn thám và công nghệ GIS , các dữ liệu
không gian có thể được hiển thị lập thể theo không gian 3 chiều (3D), đáp ứng nhu
cầu ngày càng đa dạng của người sử dụng. Ngành Bản đồ từ khi hình thành và phát
triển, đến những năm 90 của thế kỷ 20 chỉ mới xây dựng các phương pháp hiển thị
các dữ liệu không gian trong môi trường hai chiều. Một câu hỏi được đặt ra là:
Ngành Bản đồ có thể khai thác lợi thế của các công nghệ mới GIS, RS và bản đồ số
không và khai thác như thế nào ?
Ngày nay, công nghệ thông tin phát triển mạnh, thâm nhập vào hầu hết các
ngành khoa học và thực tiễn, trước xu thế toàn cầu hóa, việc sản xuất những dạng
bản đồ mới cung cấp kịp thời những thông tin cần thiết theo lãnh thổ địa lý, mô
phỏng được cảnh quan chung như các dạng bản đồ 3D, giúp cho các nhà hoạch định
chính sách của mỗi Quốc gia có cơ sở để xây dựng những chiến lược phát triển bền
vững và những quyết sách độc lập trong xu thế chung của toàn Thế giới.
Công nghệ thông tin và các phần mềm với nhiều tính năng mới đã và đang
được áp dụng trong nhiều lĩnh vực, từ nghiên cứu, quản lý tài nguyên, môi trường,
quản lý đất đai, cơ sở hạ tầng kỹ thuật và những lĩnh vực kinh tế - xã hội. Sự phát
triển này xuất phát từ những đòi hỏi ngày càng cao về khối lượng và độ chính xác,
tin cậy của các thông tin liên quan chủ yếu với thế giới tự nhiên như tài nguyên, môi
trường, đến những lĩnh vực liên quan ngày càng nhiều hơn với con người như cơ sở
hạ tầng kỹ thuật, kinh tế - xã hội
Bản đồ 3D tỷ lệ lớn có rất nhiều ưu điểm. Nó có thể cung cấp cho người
dùng khả năng chủ động chọn vị trí quan sát ảo trong bản đồ, cho phép nhận biết và
tìm hiểu các dữ liệu không gian cũng như các thông tin thuộc tính liên quan đến các
đối tượng địa hình chính xác hơn. Chắc chắn việc áp dụng các công nghệ mới phục

8
vụ cho ngành Bản đồ sẽ nâng cao hoàn thiện chất lượng của các sản phẩm bản đồ,

mở ra các lĩnh vực ứng dụng mới.
Việc ứng dụng rộng rãi các công nghệ mới, đặc biệt là công nghệ thông tin
trong thành lập bản đồ đã được thực hiện ở nhiều nước trên thế giới. Ngành Bản đồ
các nước đang hướng đến hai loại bản đồ tiên tiến là bản đồ 3D và bản đồ động.
Bản đồ 3D tỷ lệ lớn với các nhóm nội dung, độ chi tiết khác nhau phục vụ cho các
mục đích du lịch, quy hoạch và dự báo phát triển trong tương lai cũng đã trở thành
thương phẩm thường gặp tại nhiều nước phát triển. Mô hình dữ liệu, phương pháp
thành lập, khuôn dạng số liệu cũng rất đa dạng phụ thuộc vào các công nghệ sẵn có
trong từng trường hợp.
Ở Việt Nam, các ngành Khoa học tuỳ theo yêu cầu riêng và điều kiện vật
chất kỹ thuật của mình cũng đã tạo ra nhiều sản phẩm đồ họa có các yếu tố địa hình
3D trong đó như: sơ đồ tuyến, mặt cắt trong các ngành giao thông, thủy lợi; DEM
được tạo ra trong quá trình xử lý ảnh máy bay; bản đồ tác chiến trong quân sự; mô
hình cảnh quan trong giáo dục hay du lịch. Các số liệu này được thành lập cho một
số khu vực nhưng cũng thiếu tính hệ thống và mang đặc trưng của từng ngành.
Xuất phát từ tình hình thực tế đó, cần nghiên cứu một cách tổng quát và toàn
diện về việc thành lập bản đồ 3D tỷ lệ lớn trên cơ sở kết hợp công nghệ Bản đồ số,
Viễn thám và Hệ thông tin Địa lý, nhằm mục đích thiết lập quy trình công nghệ liên
hoàn từ khi dữ liệu được đưa vào đến khi xuất dữ liệu thành lập bản đồ và chuẩn dữ
liệu cho hệ thống Thông tin địa lý. Tuy nhiên, đây là một công việc lớn, đòi hỏi
nhiều thời gian, công sức và cơ sở vật chất, nên trong khoảng thời gian ngắn không
thể nghiên cứu, giải quyết được tất cả các vấn đề liên quan đến các thể loại bản đồ
3D và bản đồ động. Đề tài: “Thành lập bản đồ 3D tỷ lệ lớn trên cở sở kết hợp công
nghệ Viễn thám, Hệ thông tin Địa lý và Bản đồ số” được chọn, thực hiện, nhằm xây
dựng một mảnh bản đồ thử nghiệm. Những kết quả nghiên cứu này cũng có thể ứng
dựng cho các lĩnh vực khoa học, kinh tế hoặc cho mục đích giáo dục, du lịch và
quân sự


9

2. Mục tiêu của đề tài
- Nghiên cứu khả năng và cơ sở khoa học kết hợp công nghệ Viễn thám, Hệ
thông tin Địa lý và Bản đồ số để thành lập bản đồ 3D tỷ lệ lớn.
- Cung cấp cho người dùng khả năng chủ động chọn vị trí quan sát ảo trong
bản đồ, cho phép nhận biết và tìm hiểu các dữ liệu không gian cũng như các thông
tin thuộc tính liên quan đến các đối tượng địa hình chính xác hơn, phục vụ trong
công tác thiết kế cơ sở hạ tầng, viễn thông, du lịch, giáo dục…
Đối tượng phục vụ :
- Các cơ quan quản lý, đơn vị nghiên cứu sản xuất.
- Các đơn vị trong quân đội.
- Các cơ quan nghiên cứu, giảng dạy.
- Một số đối tượng khác.
3. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Tóm tắt về tình hình ứng dụng công nghệ Viễn thám, Hệ thông tin Địa lý
(GIS) và Bản đồ số trong thành lập bản đồ 3D.
- Thu thập bản đồ số tỷ lệ lớn và chuẩn hóa dữ liệu
- Thu thập dữ liệu ảnh vệ tinh.
- Điều tra và thu thập thông tin về khu vực có liên quan đến việc thành lập
bản đồ.
- Xây dựng 01 mảnh bản đồ 3D tỷ lệ lớn.
4. Giới hạn và phạm vi nghiên cứu
- Về không gian: phạm vi nghiên cứu trên một khu vực T82 - Sóc Sơn - TP.
Hà Nội.
Về công nghệ:
- Khả năng và cơ sở khoa học của việc kết hợp công nghệ Viễn thám, Hệ
thông tin địa lý và bản đồ số trong việc thành lập bản đồ 3D tỷ lệ lớn.
- Một mô hình được xây dựng có tính chất thử nghiệm để minh họa cho việc
kết hợp công nghệ Viễn thám, Hệ thông tin địa lý (GIS) và bản đồ số.
5. Phƣơng pháp nghiên cứu

10
- Phương pháp nghiên cứu trong phòng.
- Phương pháp Viễn thám.
- Phương pháp Bản đồ.
- Phương pháp khảo sát thực địa.
- Phương pháp GIS.
- Phương pháp Phân tích hệ thống.
6. Cấu trúc của luận văn
Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo, nội dung chính của đề tài
trình bày trong 3 chương:
Chương 1: Cơ sở lý luận và phương pháp nghiên cứu.
Chương 2: Đặc điểm thành lập bản đồ 3D.
Chương 3: Ứng dụng công nghệ viễn thám, Hệ thông tin địa lý và bản đồ số,
thành lập bản đồ 3D tỷ lệ lớn.

11

Ch-¬ng 1
CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

1.1. BẢN ĐỒ SỐ VÀ CẤU TRÚC DỮ LIỆU BẢN ĐỒ SỐ 7,12
1.1.1 Khái niệm
Bản đồ số là hệ thống các thông tin về yếu tố địa hình, các đối tượng, hiện
tượng địa lý được mã hoá và lưu ở dạng số (toạ độ x, y, độ cao h, và các số liệu
thuộc tính), trên các phương tiện kĩ thuật số mà máy tính có thể đọc được (băng từ,
đĩa từ, đĩa CD, đĩa cứng, các thiết bị lưu trữ giao tiếp bằng cổng USB…). Ta chỉ có
thể nhìn thấy hình ảnh của nó (dạng tương tự) khi nó được in ra trên giấy, hay thể
hiện trên trên các phương tiện hiển thị khác nhau như màn hình máy tính, mạng
máy tính… khi in ra giấy (hoặc vật liệu phẳng), ta được bản đồ truyền thống; khi
hiện trên màn hình máy tính thì gọi là bản đồ điện tử (hoặc bản đồ màn hình). Để sử
dụng và làm việc với bản đồ số, phải có máy tính điện tử và các thiết bị liên quan,
có các phần mềm (chương trình) máy tính và phần mềm bản đồ chuyên dụng. Mức
độ đầy đủ thông tin về nội dung và độ chính xác các yếu tố trong bản đồ số hoàn
toàn giống như bản đồ truyền thống, chúng phải đáp ứng được các yêu cầu và tiêu
chuẩn bản đồ.
Một số nhà khoa học trên thế giới đã định nghĩa bản đồ số như sau:
- Stepanovich: “Bản đồ số là một tập hợp có tổ chức các dữ liệu bản đồ trên
các thiết bị có khả năng đọc bằng máy tính điện tử, và được thể hiện dưới dạng
hình ảnh bản đồ” [7].
- A.M. Berliant: “Bản đồ số là mô hình số của bản đồ địa hình, bản đồ
chuyên đề, bản đồ chuyên môn, được thể hiện ở dạng số với toạ độ mặt phẳng x,y,
độ cao h, và các số liệu thuộc tính được mã hoá. Bản đồ số được thành lập trong
phép chiếu bản đồ, hệ thống ký hiệu quy ước đối với bản đồ cùng kiểu đã biết, có

tính đến tổng quát hoá và các yêu cầu về độ chính xác”.
Bản đồ 3D: Có một số nhà bản đồ học đã nêu định nghĩa bản đồ 3D, tuy
nhiên mỗi định nghĩa đều mang tính chất tham khảo, ví dụ: “Bản đồ 3D là bản đồ số

12
trong đó các đối tượng nghiên cứu (địa hình, địa vật) được thể hiện bằng dữ liệu
không gian, gắn thuộc tính và hiển thị trong môi trường không gian 3 chiều của các
phần mềm GIS với chiều cao của đối tượng ở các mức độ ký hiệu hóa và khái quát
hóa khác nhau tùy theo mục đích sử dụng”. Một định nghĩa khác, nghiêng về mô tả
sản phẩm: “Bản đồ 3D là bản đồ 2D trong đó thuộc tính về độ cao được gắn vào
đường viền chân nhà, các khối nhà được thể hiện bằng độ cao này hoặc được chi
tiết hóa với mái và ảnh bề mặt. Bản đồ còn hiển thị các đối tượng, thiết bị đường
phố như: biển và đèn báo giao thông, cây, hàng rào và đặc biệt là các đối tượng
mang tính chất mốc định hướng trong khu vực”. Tuy nhiên, theo nhận thức của tác
giả thì có thể hiểu khái niệm bản đồ 3D như sau: Bản đồ 3D, trước hết phải là bản
đồ, phải thỏa mãn đầy đủ các đặc trưng bản chất của bản đồ; mặt khác, bản đồ 3D là
mô hình số thể hiện các đối tượng nghiên cứu (địa hình, địa vật) trong hệ quy chiếu
không gian với mức độ ký hiệu hóa và khái quát hóa khác nhau tùy theo mục đích
sử dụng, được thể hiện đầy đủ cả 3 chiều x, y, h của đối tượng theo đặc trưng không
gian của chúng.
1.1.2. Đặc điểm chính
Bản đồ số trước hết là bản đồ, có đầy đủ các đặc điểm đặc trưng của bản đồ
truyền thống, như:
- Bản đồ là hình ảnh thu nhỏ của một phần hay toàn bộ bề mặt Trái đất, trên
cơ sở toán học xác định, bao gồm: tỷ lệ, phép chiếu, bố cục bản đồ và sai số biến
dạng của bản đồ tùy theo phép chiếu được lựa chọn.
- Các đối tượng và hiện tượng (nội dung bản đồ) được biểu thị theo một
phương pháp lựa chọn và khái quát nhất định (tổng quát hoá bản đồ).
- Các đối tượng và hiện tượng được biểu thị bằng ngôn ngữ bản đồ. Đó là hệ
thống ký hiệu qui ước và những nguyên tắc, những quy định về ngữ nghĩa, cú pháp,

ngữ pháp, ngữ dụng của hệ thống kí hiệu quy ước đó và những nguyên tắc phối hợp
sử dụng chúng để thể hiện nội dung bản đồ.
Ngoài ra, bản đồ số còn có một số đặc điểm riêng như:
- Mọi thông tin của bản đồ số được ghi ở dạng số (mã nhị phân - binary).

13
- Thông tin của bản đồ số được cấu trúc theo kiểu raster hoặc vector, có kèm
theo topology, tổ chức thành các file bản đồ riêng, hoặc liên kết thành thư mục,
được lưu trong hệ thống máy tính hoặc thiết bị ghi thông tin có khả năng đọc bằng
máy tính.
- Ngoài thông tin đồ họa, bản đồ số còn chứa đựng những dữ liệu mà bản đồ
truyền thống không liên kết trực tiếp được như:
+ Dữ liệu thuộc tính - Các thông tin văn bản và bảng biểu về đặc tính số
lượng, chất lượng của đối tượng thể hiện bản đồ - các đối tượng và hiện tượng địa
lý.
+ Minh họa cho đối tượng: âm thanh, hình ảnh động, là những thông tin
chuyên đề về các đối tượng và hiện tượng thể hiện trong mô hình.
+ Thông tin topology (quan hệ không gian) - mô tả về mối quan hệ không
gian giữa các đối tượng và giữa các cơ sở dữ liệu đồ họa, thuộc tính, và minh họa.
- Khối lượng dữ liệu lớn hơn: có thể đưa vào bản đồ số một lượng thông tin
lớn hơn lượng thông tin có thể trình bày, thể hiện trên các bản đồ truyền thống, in
trên các vật liệu in ấn. Những thông tin đó được đặt trên các lớp chuyên đề. Khi cần
có thể hiện thị từng bộ phận thông tin, hoặc một quy mô lớn để tìm hiểu, phân tích
dữ liệu.
- Tỷ lệ của bản đồ số mang tính điều kiện: về hình thức, bản đồ số không có
tỷ lệ không gian cố định. Nó cho phép làm việc theo đợn vị thực, ví dụ, kilômét trên
thực địa. Để hiển thị, người dùng có thể thể hiện thông tin của bản đồ ở tỷ lệ tùy ý.
Nhưng tỷ lệ thật của bản đồ số được xác định bởi độ chính xác hình học và độ chi
tiết của dữ liệu ban đầu dùng để thành lập bản đồ - được hiểu là tỷ lệ nội dung, hay
tỷ lệ nghiên cứu, khảo sát, quy mô khảo sát. Ưu điểm của bản đồ số là người ta có

thể đọc, phân tích bản đồ dưới dạng đa tỷ lệ (multiscale).
- Trong thành lập bản đồ giấy, tỷ lệ được xác lập theo diện tích lãnh thổ, do
kích thước của giấy và máy in khống chế. Người ta có thể thành lập bản đồ số
không lệ thuộc vào độ lớn của lãnh thổ, không phụ thuộc vào các điều kiện kỹ thuật
và công nghệ in

14
1.1.3. Tính chất của bản đồ số
Bản đồ số có nhiều tính chất ưu việt hơn bản đồ truyền thống:
- Tính trực quan: cho khả năng giao diện trức tiếp, thuận lợi và linh hoạt giữa
người dùng với thông tin bản đồ, cho ta khả năng bao quát và tiếp thu nhanh chóng
những yếu tố chính, chủ yếu của nội dung bản đồ; có thể biểu diễn địa hình theo các
góc độ khác nhau, tuỳ người sử dụng; do đó cho phép nghiên cứu đánh giá địa hình
tỷ mỷ hơn, chính xác hơn và toàn diện hơn.
- Tính đầy đủ: bản đồ số có khả năng chứa đựng thông tin phong phú và chi
tiết, độ phân giải càng lớn thì tính đầy đủ thông tin về đối tượng nghiên cứu càng
lớn.
- Cấu trúc Bản đồ số có tính chuẩn hoá cao - chuẩn hoá về: dữ liệu, tổ chức
dữ liệu, thể hiện dữ liệu và khai thác thông tin dữ liệu;
- Tính linh hoạt: dễ dàng cập nhật, chỉnh sửa, hoặc có thể thay đổi phương án
thiết kế, trình bày, ký hiệu, chồng xếp hoặc tách lớp thông tin. Do đó, thông tin của
bản đồ luôn mới, họăc theo ý muốn của người quản lý, người sử dụng; trong khi đó
các thông tin cũ vẫn được bảo lưu. Bản đố số còn được phát triển thành dạng bản đồ
mới: bản đồ 3D, 4D, bản đồ động, bản đồ đa phương tiện, truyền trên internet, giao
diện trên các trang web…
- Sử dụng bản đồ số rất tiện lợi:
+ Mọi phép đo được thực hiện dễ dàng, nhanh chóng, chính xác.
+ Dễ dàng xác định toạ độ x, y, h của một điểm, chiều dài của đường, diện
tích của một vùng….
+ Thiết kế, thể hiện nội dung và phân bố của các đối tượng, hiện tượng địa lý

trên bản đồ số sẽ đạt được độ thẩm mỹ cao, không phụ thuộc hoa tay người thực
hiện hay các điều kiện, phương tiện kỹ thuật đặc biệt.
+ Nhiều đối tượng chuẩn hóa theo quy định và được sử dụng bằng cách lấy
ra từ thư viện mẫu.

15
+ Lưu giữ, bảo quản, cấp phát thuận tiện. Lưu giữ trên đĩa quang nên rất gọn,
dễ tìm, dễ bảo quản. Có thể cấp phát qua mạng viễn thông nên nhanh chóng, chính
xác. Được bảo mật theo các mức độ khác nhau.
1.1.4. Cấu trúc dữ liệu của bản đồ số
Thông tin về các đối tượng, hiện tượng địa lý lưu trữ trong máy tính phải
được cấu tạo chặt chẽ tuân theo những nguyên tắc nhất định, phù hợp với nguyên lý
số của máy tính. Cấu tạo đó được gọi là cấu trúc dữ liệu. Có hai dạng cấu trúc dữ
liệu của bản đồ số là: cấu trúc raster và cấu trúc vector.

a) Cấu trúc raster
- Cấu trúc raster phân chia bề mặt không gian thành những phần tử nhỏ bằng
nhau, theo một lưới điều hòa (grid) gồm các hàng và cột, tính theo thứ tự bắt đầu từ
đỉnh phía trái.
- Những phần tử nhỏ này được gọi là cell (pixell), mỗi phần tử mang một giá
trị đơn gồm giá trị số hàng, số cột trên lưới điều hòa và tông mầu. Một mặt phẳng
chứa đầy cell tạo thành raster.
- Mức độ chi tiết của thông tin phụ thuộc vào độ lớn của ô vuông trong lưới
điều hòa (cell), gọi là độ phân giải. Độ phân giải càng lớn khi lượng cell trên một
đơn vị diện tích càng lớn.
- Cấu trúc raster thường được áp dụng thể hiện các đối tượng, hiện tượng
phân bố liên tục trong không gian, để lưu trữ thông tin dạng ảnh (ảnh mặt đất, ảnh
máy bay, ảnh vệ tinh…)

Hình 1.1. Bản đồ Raster
(Ảnh quét từ một mảnh bản đồ địa hình do Cục Bản đồ/BTTM xuất bản)



16
b) Cấu trúc vector
Vector là đại lượng biến thiên có độ lớn và có hướng, và có thể phân tích ra
thành các hợp phần.








Cấu trúc vector mô tả vị trí của các đối tượng trong không gian bằng tọa độ
cùng kết cấu hình học gồm đường nét, cạnh, mặt, và quan hệ giữa chúng.
- Các đối tượng địa lý có 3 dạng, phân loại theo đặc trưng hình học:
+ Các đối tượng dạng điểm;
+ Các đối tượng dạng đường;
+ Các đối tượng dạng vùng.
Ghi chú hoặc địa danh được xếp vào một dạng riêng - là dạng ký tự - Text.
- Những đối tượng có cùng danh sách thuộc tính như nhau được xếp vào một

lớp, gọi là lớp đối tượng.
- Những lớp đối tượng cùng dạng, cùng chuyên đề, và gần nhau về thuộc tính
có thể xếp vào cùng một nhóm.
- Cấu trúc vector thông tin không lấp đầy bề mặt không gian, mà chỉ lấp
những nơi có đối tượng phân bố.
- Cấu trúc vector thích hợp để lưu trữ các hiện tượng phân bố không liên tục,
đặc biệt là loại bản đồ thể hiện các đối tượng dạng đường nét, như bản đồ lưới giao
thông, bản đồ lưới sông ngòi, bản đồ đẳng cao địa hình


Hình 1.2. Bản đồ Vector
(Một phần của mảnh bản đồ số địa hình, xem trên màn hình máy tính
được in ra để minh họa)

17
c- So sánh cấu trúc raster và vertor
Ưu điểm chủ yếu của cấu trúc raster là cho phép thực hiện nhanh, gần như tự
động quá trình nhập dữ liệu bằng máy quét (scaner). Cấu trúc số liệu đơn giản.
Chồng ghép dễ dàng. Công nghệ đơn giản rẻ tiền, dễ phát triển.
Nhược điểm: Kích thước của tập tin (File) lớn, nếu giảm kích thước tập tin,
thì độ phân giải của ảnh sẽ giảm đi, dẫn đến mất thông tin. Bản đồ raster xấu hơn so
với bản đồ vector do phụ thuộc vào kích thước pixel.
Cấu trúc vector có kích thước dữ liệu nhỏ hơn và dễ thao tác, dễ xử lý hơn
trong phần lớn các trường hợp. Ví dụ, xác định độ dài một cạnh, chu vi của một đa
giác hay hướng và khỏang cách giữa hai điểm Cấu trúc vector có độ chính xác đồ
hoạ cao, có thể truy cập, thay đổi cập nhật thuộc tính dễ dàng.
Nhược điểm: thường khó nhập dữ liệu một cách tự động như raster.
Thường cấu trúc raster được dùng bảo quản dữ liệu gốc, như dữ liệu ảnh, bản
đồ cũ… Cấu trúc vector được sử dụng rộng rãi hơn trong lưu trữ thông tin bản đồ
mới do đặc tính mềm dẻo của nó. Thực tế, có thể sử dụng phối hợp cả hai loại cấu

trúc trên.
d- Topology
- Khái niệm: Topology là thuộc tính không gian của đối tượng. Nó phản ánh
các mối quan hệ giữa các đối tượng hoặc các thành phần của chúng trong không
gian, ví dụ, hai đối tượng nằm bên trái, bên phải, hay phủ nhau.
- Các tình huống topology
Khi mô tả topology cần xem xét các tình huống sau:
+ Liên thông (connective);
+ Phủ (overlap);
+ Kề (adjacency);
+ Lân cận (neighbouhood).



18
1.2. CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM, ĐẶC ĐIỂM CỦA TƯ LIỆU VIỄN THÁM, KHẢ
NĂNG KHAI THÁC TƯ LIỆU VIỄN THÁM TRONG THÀNH LẬP BẢN ĐỒ 3D
1.2.1 Tổng quan về tư liệu viễn thám
Trên thực tế, có nhiều định nghĩa về Viễn thám. Có thể định nghĩa Viễn thám
như sau: Viễn thám là một khoa học và là một công nghệ nghiên cứu các thông tin
thu nhận được thông qua phân tích các dữ liệu nhận được bằng các công cụ kỹ thuật
mà không tiếp xúc trực tiếp với đối tượng, một vùng hay một hiện tượng tự nhiên
hay dân cư, kinh tế



Hình 1.3. Nguyên lý viễn thám quang học
(Trích từ )

Mặc dù có rất nhiều định nghĩa khác nhau về Viễn thám, nhưng mọi định nghĩa

đều có nét chung, nhấn mạnh "Viễn thám là khoa học thu nhận và xử lý thông tin về
các đối tượng, hiện tượng trên Trái Đất từ xa mà không tiếp xúc trực tiếp với
chúng".

19

Hình 1.4. Sơ đồ nguyên lý thu nhận và xử lý số liệu viễn thám

Trên hình là sơ đồ nguyên lý thu nhận tư liệu viễn thám và những trình tự
công nghệ cơ bản được sử dụng trong viễn thám.
Thông tin viễn thám thu nhận được nhờ các công cụ, thiết bị khác nhau từ
một khoảng cách nhất định đối với đối tượng nghiên cứu thông qua năng lượng điện
từ phản xạ từ bề mặt Trái Đất.
Sóng điện từ hoặc được phản xạ hoặc được bức xạ từ vật thể thường là
nguồn tư liệu chủ yếu trong viễn thám. Tuy nhiên, những dạng năng lượng khác
như từ trường, trọng trường cũng có thể được sử dụng để khai thác thông tin.
Các thiết bị dùng để cảm nhận sóng điện từ phản xạ hay bức xạ từ vật thể
được gọi là bộ viễn cảm (remote sensor) thường gọi tắt là bộ cảm. Các buồng chụp
ảnh hoặc máy quét là những ví dụ về bộ cảm.

20
Phương tiện bay được sử dụng để mang các bộ cảm được gọi là vật mang
(platform). Máy bay hoặc vệ tinh nhân tạo là những ví dụ về vật mang.
Thuật từ viễn thám đựơc sử dụng đầu tiên ở Mỹ vào những năm 1960 bao
hàm cả các lĩnh vực như đo ảnh, giải đoán ảnh, địa chất ảnh.
Các tính chất của vật thể có được xác định thông qua các năng lượng bức xạ
hoặc phản xạ từ vật thể. Viễn thám là một công nghệ nhằm xác định và nhận biết
đối tượng hoặc các điều kiện môi trường thông qua những đặc trưng riêng về phản
xạ và bức xạ.
Bức xạ điện từ truyền năng lượng điện từ trên cơ sở các dao động của trường

điện từ trong không gian hoặc trong lòng các vật chất. Qúa trình lan truyền của sóng
điện từ tuân theo định luật Maxwel. Bức xạ điện từ có các tính chất sóng và hạt.

Hình 1.5. Một số khái niệm cơ bản về bức xạ điện từ và khả năng khai thác thông tin
Tính chất sóng được xác định bởi bước sóng, tần số và tốc độ lan truyền.
Tính chất hạt được mô tả theo các tính chất của quang lượng tử hay photon. Bức xạ
điện từ có 4 tính chất cơ bản đó là tần số hay bước sóng, hướng lan truyền, biên độ
và mặt phân cực. Hình trên (hình 1.5) là một số khái niệm cơ bản về bức xạ điện từ
và các thông tin có thể nhận biết được thông qua những tính chất của nó. Bốn thuộc
tính cơ bản của bức xạ điện từ liên quan tới các nội dung thông tin khác nhau. Ví dụ
tần số hay bước sóng liên quan tới màu sắc. Hình dạng hay cấu trúc bên ngoài của
vật thể dẫn tới sự phân cực khác nhau của bức xạ điện từ …

21
Tớnh cht súng c mụ t thụng qua biu thc:
= v / f
Súng in t lan truyn trong chõn khụng vi vn tc khụng i v bng
2.998 x 10
8
m/s. Trong lũng khớ quyn v trong lũng cỏc vt cht khỏc súng in t
lan truyn vi vn tc nh hn nhng cng gn bng vn tc lý thuyt nh vy.
Tớnh cht ht c mụ t qua cỏc nh lut ca c hc lng t. Súng in t
c coi nh cỏc lng t. Nng lng E ca nú xỏc nh theo cỏc biu thc.
E = hf trong đó: h là hằng số Plank v f là tần số.
Cỏc hin tng quang in t u cú th c gii thớch da trờn cỏc tớnh
cht súng v ht ca súng in t. Bc x in t cú 4 thụng s c bn ú l tn s,
hng lan truyn, biờn v mt phõn cc.
Cỏc thụng s ny cú th s dng trong vic khai thỏc thụng tin nh. Vớ d tn
s cú th c dựng xỏc nh vn tc chuyn ng ca vt th da trờn hiu ng
Doppler, hng lan truyn c s dng phỏt hin cỏc cu trỳc ca i tng,

Biờn th hin mc sỏng ti ca vt th v c s dng nh nhng phn t
gii oỏn nh c bn, mt phõn cc c s dng xỏc nh hỡnh dng ca vt th
bi l ỏnh sỏng phn x trờn cỏc b mt tng t nhau s cho cỏc chựm tia cú mt
phõn cc ging nhau.
Tt c cỏc vt th u phn x, hp th, phõn tỏch v bc x súng in t
bng cỏc cỏch thc khỏc nhau v cỏc c trng ny thng c gi l c trng
ph. Nng lng súng in t E c mụ t theo hm s:
E=hc/ trong đó: h là hằng số Plank, c là vận tốc ánh sáng v là b-ớc
sóng.
Hiu nng lng AE = E1 E2 = hc/ H. Trong ú H l s chờnh lch v th
ca in t trong nguyờn t vt cht mụ t nng lng in t b hp th bi vt
cht. Khi bc x in t tng tỏc vi vt cht thỡ cỏc nguyờn t trờn b mt ca vt
cht s cú s thay i trng thỏi. S thay i trng thỏi ny ph thuc vo tng cht
v trng thỏi vt lý ca nú dn n cỏc b mt vt cht ú hoc hp th, phn x
hoc cho súng in t truyn qua.
trong đó: là b-ớc sóng, v là vận tốc v f là tần số.


22
Các dải sóng điện từ được đặt tên khác nhau bắt đầu từ tia gamma, tia X, tia
cực tím, sóng nhìn thấy, tia hồng ngoại và sóng vô tuyến. Nhìn chung dải phổ sử
dụng trong viễn thám bắt đầu từ vùng cực tím (0.3-0.4 µm), sóng ánh sáng nhìn
thấy (0.4-0.7 µm), sóng cực ngắn và hồng ngoại nhiệt. Các sóng hồng ngoại ngắn
mới đây đựơc sử dụng rộng rãi trong phân loại thạch học. Sóng hồng ngoại nhiệt
đựơc sử dụng trong đo nhiệt, sóng micro mét được sử dụng trong kĩ thuật radar.

Hình 1.6. Đặc trưng dải sóng dùng trong viễn thám

5


band
W
V
C
Kr
K
K
u

X
C
S
L
P
0.3
1
3
10
30
100
sãng cùc ng¾n
b-íc sãng dµi(cm)
B-íc sãng
0.1nm
10nm
1 m
100 m
10mm
1m
100m
10km
Tia -Y
-
cùc tÝm
nh×n thÊy
hång ngo¹i

0.4
0.6

0.8
tÝm
xanh n-íc biÓn
xanh l¸ c©y
vµng
®á
gÇn hång ngo¹i
Sãng ng¾n
hång ngo¹i
1
5
7
10
b-íc sãng
hång
ngo¹i
trung
hång ngo¹i nhiÖt
sãng cùc ng¾n
EHF
SHF
UHF
VHF
HF
MF
LF
VLF
sãng radio

23

Trong ú:
Band
Bc súng
Tn s
X band
2,4 3,8 cm
12,5 8 Ghz
C band
3,8 7,5 cm
12,5 8 Ghz
S band
7,5 15 cm
12,5 8 Ghz
L band
15 30 cm
2 1 Ghz
P band
75 133 cm
225 400 Mhz

Vin thỏm cú th c phõn thnh 3 loi c bn theo bc súng s dng:
1. Vin thỏm trong di súng nhỡn thy v hng ngoi
2. Vin thỏm hng ngoi nhit
3. Vin thỏm siờu cao tn

Hỡnh 1.7. S phõn loi vin thỏm theo bc súng

5


Viễn thám trong dải sóng
nhìn thấy và hồng ngoại

Viễn thám hồng
ngoại nhiệt
Viễn thám siêu
cao tần
Bộ cảm
a
b
Nguồn bức
xạ
Mặt trời
Vật thể

Vật thể
radar
Bức xạ
phản xạ
a
b
Bức xạ
phát xạ
B-ớc sóng
0.5 m
1 m
10 m
Bc x
Phổ
Phổ điện
từ
Máy ảnh
Bộ tách sóng
ánh sáng
Bộ cảm nhận
Sóng cực ngắn
B
ộ
c
ả
m

UV
Nhìn thấy
0.4 m

0.7 m
1 mm
Hồng ngoại
Hồng ngoại nhiệt
Sóng dài
0.3 m
0.9 m
1.4 m
1mm
30cm

24
Nguồn năng lượng chính sử dụng trong nhóm a là bức xạ mặt trời. Bức xạ
Mặt trời có bước sóng là 0.5 micro mét. Tư liệu viễn thám thu được trong dải sóng
nhìn thấy phụ thuộc chủ yếu vào sự phản xạ từ bề mặt vật thể và bề mặt Trái Đất.
Vì vậy, các thông tin về vật thể có thể được xác định từ các phổ phản xạ. Đây là
nhóm kỹ thuật được sử dụng nhiều nhất. Nó cho hình ảnh chất lượng rất cao và hợp
với tư duy giải đoán của con người. Điểm yếu của nó là rất phụ thuộc vào thời tiết.
Chỉ những khi trời trong, không mây, không mưa thì tư liệu thu được mới có thể sử
dụng được.
Nguồn năng lượng sử dụng trong nhóm b là bức xạ nhiệt do chính vật thể sản
sinh ra. Mỗi vật thể trong nhiệt độ bình thường đều tự phát ra một bức xạ và có đỉnh
tại bước sóng 10 µm. Các bộ cảm dựa theo nguyên lý này thường thu nhận thông tin
về đêm. Tư liệu thu được cho phép xác định các nguồn nhiệt trên bề mặt Trái Đất.
Trong viễn thám siêu cao tần, hai loại kỹ thuật chủ động và bị động đều được
áp dụng. Viễn thám siêu cao tần bị động thì bức xạ siêu cao tần do chính vật thể
phát ra được máy thu ghi lại; trong khi viễn thám siêu cao tần chủ động lại thu
những bức xạ, tán xạ hoặc phản xạ từ vật thể sau khi được phát ra từ các máy phát
đặt trên vật mang. Nhìn chung, kỹ thuật chủ động được ứng dụng nhiều và cho hiệu
quả cao bởi lẽ điều kiện quan trắc không bị giới hạn bởi điều kiện không mây của

khí quyển. Tuy nhiên việc giải đoán vẫn còn nhiều khó khăn bởi lẽ những thông tin
thu được phản ảnh chủ yếu trạng thái cấu trúc vật lý bề mặt của đối tượng chứ
không liên quan nhiều tới thành phần vật chất của đối tượng. Nhóm kỹ thuật này
vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu và phát triển, nó hứa hẹn một tương lai ứng
dụng đặc biệt cho các vùng nhiệt đới ẩm có mưa và mây hầu như quanh năm.
Theo thiết bị mang có thể chia tư liệu viễn thám thành hai loại chủ yếu
* Viễn thám hàng không
Trong viễn thám hàng không, các bộ cảm thu chụp thẳng đứng hoặc cạnh
sườn, được lắp đặt trên máy bay để chụp ảnh mặt đất. Ưu điểm chính của ảnh chụp
từ máy bay so với ảnh chụp từ vũ trụ là lực phân giải không gian của hình ảnh (20
cm hoặc hơn thế nữa). Nhược điểm là diện tích chụp nhỏ và giá thành cao tính trên