Xây dựng bản đồ hiện trạng lớp phủ mặt đất bằng công nghệ viễn thám và GIS

LỜI CẢM ƠN
Trước hết tôi xin gửi lời cảm ơn tới TS. NGUYỄN TIẾN THÀNH người đã
hướng dẫn tôi trong suốt quá trình làm luận văn tốt nghiệp.
Tôi xin cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Trắc Địa- Bản Đồ đã giảng dạy
tôi trong suốt thời gian học tập tại trường và tạo điều kiện giúp tôi hoàn thành luận
văn này.
Tuy đã cố gắng nhất địnhnhưng trong thời gian và trình độ có hạn nên chắc
chắn luận văn này còn nhiều thiếu sót và hạn chế nhất định. Kính mong nhận được
sự góp ý của thầy cô và các bạn

1


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan kết quả đạt được trong luận văn là sản phẩm nghiên cứu ,
tìm hiểu của riềng cá nhân tôi. Trong toàn bộ nội dung của luận văn, những điều
được trình bày hoặc là cá nhân tôi hoặc là tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu . Tất cả
các tài liệu tham khảo đều có xuất xứ rõ ràng và được trích dẫn hợp pháp
Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và chịu mọi hình thức kỷ luật theo qui
định của lời cam đoan của mình.
Hà Nội ngày 30 tháng 5 năm 2016
Người cam đoan

Đặng Thanh Tùng

2


MỤC LỤC

3

DANH MỤC HÌNH

4


LỜI MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Bản đồ hiện trạng là tài liệu quan trọng và cần thiết trong công tác thiết kế
quy hoạch và quản lý đất đai. Bản đồ hiện trạng sử dụng đất được sử dụng như một
loại bản đồ thường trực làm căn cứ để giải quyết các bài toán tổng thể cần đến
thông tin hiện thời về tình hình sử dụng đất và luôn giữ vai trò nhất định trong
nguồn dữ liệu về hạ tầng cơ sở. Bản đồ hiện trạng sử dụng đất là nguồn tài liệu làm
cơ sở để thành lập bản đồ địa chính và hổ trợ đắc lực cho công tác thống kê, kiểm
kê đất đai; lập quy hoạch và kế hoạch sử dụng đất. Trước đây, một số cấp đơn vị
hành chính đã sử dụng phương pháp thủ công để đo vẽ và thành lập bản đồ do đó độ
chính xác không cao nên đã làm ảnh hưởng đến công tác quản lý đất đai. Vì vậy,
việc ứng dụng công nghệ số để thành lập bản đồ hiện trạng lớp phủ là điều cần thiết
trong giai đoạn này.
Công nghệ viễn thám, một trong những thành tựu khoa học vũ trụ đã đạt đến
trình độ cao và đã trở thành kỹ thuật phổ biến được áp dụng rộng rãi trong nhiều
lĩnh vực kinh tế xã hội ở nhiều nước trên thế giới, không những đối với các nước
phát triển có trình độ khoa học kỹ thuật tiên tiến mà còn đối với các nước đang phát
triển với nền kinh tế còn lạc hậu. Nhu cầu ứng dụng công nghệ viễn thám và hệ
thống thông tin địa lý GIS trong lĩnh vực điều tra nghiên cứu, khai thác sử dụng,
quản lý tài nguyên thiên nhiên và môi trường ngày càng gia tăng nhanh chóng trong
phạm vi toàn Quốc gia và Quốc tế. Những kết quả thu được từ công nghệ viễn thám
và GIS giúp cho các nhà khoa học và các nhà hoạch định chính sách đưa ra các
phương án lựa chọn có tính chiến lược về quản lý sử dụng tài nguyên thiên nhiên và

môi trường.Ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS trong thành lập bản đồ hiện
trạng sử dụng đất đã được ứng dụng rộng rãi trong thời gian gần đây và đem lại
hiệu quả cao, giúp các nhà địa lý nghiên cứu, điều tra tài nguyên nắm bắt thông tin
nhanh chóng và đồng bộ trên diện rộng.
Hoài Đức có Địa hình của huyện nằm trong vùng chuyển tiếp giữa miền núi
và đồng bằng, gồm 3 vùng đồi núi, đồng bằng, vùng bãi. Có nhiều thay đổi về hiện
trạng đất trong thời kì phát triển trong thời gian gần đây để có thể quản lý và theo
5


dõi tốt thì ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS để thành lập bản đồ hiện trạng lớp
phủ mặt đất năm 2015 là nhiệm vụ cấp thiết.
2. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài
- Mục đích:
Xây dựng được bản đồ hiện trạng lớp phủ mặt đất huyện Hoài Đức thành
phố Hà Nội bằng phương pháp ứng dụng GIS và viễn thám.
- Nhiệm vụ
+ Tìm hiểu đặc điểm tự nhiên, kinh tế xã hội huyện Hoài Đức, Thành phố
Hà Nội
+ Khảo sát hiện trạng sử dụng đất trên địa bàn huyện Hoài Đức để phục vụ
cho giải đoán ảnh vệ tinh
+ Nghiên cứu khả năng khai thác và sử dụng tư liệu ảnh viễn thám trong
thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất.
+ Nghiên cứu quy trình thành lập bản đồ hiện trạng lớp phủ mặt đất bằng
phương pháp viễn thám
+ Thu thập, tổng hợp tư liệu ảnh viễn thám, bản đồ và các tài liệu khác của
huyện Hoài Đức
+ Biết sử dụng phần mềm ENVI và ARCGIS để thành lập bản đồ hiện trạng
sử dụng đất.
3. Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là huyện Hoài Đức thành phố Hà Nội.
4. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp viễn thám và GIS: phương pháp này sử dụng phần mềm phân
tích và giải đoán ảnh viễn thám ENVI 4.5 và phần mềm Arcgis được sử dụng để
biên tập và lưu trữ bản đồ.
- Phương pháp tổng hợp và xử lý thông tin: phương pháp này được vận dụng
để phân tích,tổng hợp và xử lý các tài liệu thu thập được để thấy được hiện trạng
lớp phủ các loại đất trên địa bàn huyện.
5. Nội dung chính
6


Xây dựng bản đồ hiện trạng lớp phủ mặt đất bằng công nghệ viễn thám và
GIS.Trong đồ án đề cấp những nội dung lớn như sau:
Chương 1 Tổng quan về viễn thám và GIS
Chương 2 Cơ sở lý thuyết
Chương 3 Phương pháp xây dựng bản đồ hiện trạng lớp phủ ứng dụng viễn
thám và công nghệ GIS

7


Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VIỄN THÁM VÀ GIS
1. Tổng quan về viễn thám
1.1. Khái niệm viễn thám và ảnh viễn thám
- Viễn thám (Remote sensing - tiếng Anh) được hiểu là một khoa học và
nghệ thuật để thu nhận thông tin về một đối tượng, một khu vực hoặc một hiện
tượng thông qua việc phân tích tư liệu thu nhận được bằng các phương tiện. Những
phương tiện này không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tượng, khu vực hoặc với
hiện tượng được nghiên cứu.Sau đó là thực hiện phân tích, xử lý và ứng dụng các

thông tin này vào nhiều lĩnh vực khác nhau.
- Viễn thám không chỉ tìm hiểu bề mặt của Trái Đất hay các hành tinhmà nó
còn có thể thăm dò được cả trong các lớp sâu bên trong các hành tinh. Người ta có
thể sử dụng máy bay dân dụng, chuyên dụng hay các vệ tinh nhân tạo để thu phát
các ảnh viễn thám.
- Nhu cầu ứng dụng công nghệ viễn thám trong lĩnh vực điều tra nghiên cứu,
khai thác, sử dụng, quản lý tài nguyên thiên nhiên và môi trường ngày càng gia
tăng nhanh chóng không những trong phạm vi quốc gia, mà cả phạm vi quốc tế.
- Những kết quả thu được từ công nghệ viễn thám giúp các nhà khoa học và
các nhà hoạch định chính sách các phương án lựa chọn có tính chiến lược về sử
dụng và quản lý tài nguyên thiên nhiên và môi trường. Vì vậy viễn thám được sử
dụng như là một công nghệ đi đầu rất có ưu thế hiện nay.
- Ảnh viễn thám (ảnh vệ tinh) là ảnh số thể hiện các vật thể trên bề mặt trái
đất được thu nhận bởi các bộ cảm biến đặt trên vệ tinh. Như vậy viễn thám thông
qua kỹ thuật hiện đại không tiếp cận với đối tượng mà xác định nó qua thông tin
ảnh

chụp

từ

khoảng

cách

vài

chục

mét

tới

vài

nghìn

km.

1.2. Đặc điểm của ảnh viễn thám
- Ảnh viễn thám đặc trưng bởi dữ liệu không gian với hai dạng cấu trúc là
dạng raster và dạng vector:
- Cấu trúc dạng raster: Mô tả bề mặt Trái Đất và các đối tượng trên đó
bằng một lưới gồm các hàng và cột. Những phần tử nhỏ này được gọi là pixel.
8


-Giá trị của pixel chính là thuộc tính của đối tượng, nghĩa là trên cùng một
đơn vị diện tích mà số ô pixel càng nhiều thì đối tượng nhìn càng rõ càng chính xác
và ngược lại. Một mặt phẳng chứa đầy các pixel thì tạo thành một raster. Cấu trúc
dạng này thường được dùng để mô tả các đối tượng hiện tượng phân bố liên tục
trong không gian, dùng để lưu dữ thông tin dạng ảnh. Thông thường có một số
mô hình biểu diễn bề mặt như DEM (Digital Elevation Model), DTM (Digital
Terrain Model), Tin (Triangulated Irregular Network) cũng thuộc dạng raster.
-Ưu điểm của cấu trúc dữ liệu dạng raster là dễ thực hiện các chức năng xử
lý và phân tích. Tốc độ tính toán nhanh, thực hiện các phép tính bản đồ dễ dàng.
Tuy nhiên nó lại kém chính xác về vị trí không gian của đối tượng. Khi độ phân
giải càng thấp tức là kích thước ô pixel lớn thì sự sai lệch càng lớn.
- Cấu trúc vector: Mô tả vị trí và phạm vi của các đối tượng không gian
bằng tọa độ cùng các kết hợp hình học gồm nút, cạnh, mặt và quan hệ giữa

chúng. Về mặt hình học, các đối tượng được phân biệt thành 3 dạng: đối tượng
dạng điểm (point), đối tượng dạng đường (line) và đối tượng dạng vùng (region
hay polygon). Điểm được xác định bằng một cặp tọa độ X,Y. Đường là một chuỗi
các cặp tọa độ X,Y liên tục. Vùng là khoảng không gian được giới hạn bởi một
tập hợp các cặp tọa độ X,Y trong đó điểm đầu và điểm cuối trùng nhau. Với đối
tượng vùng, cấu trúc vector phản ảnh đường bao.
-Cấu trúc vector có ưu điểm là vị trí của các đối tượng được định vị chính
xác (nhất là các đối tượng điểm, đường và đường bao). Cấu trúc này giúp cho
người sử dụng dễ dàng biên tập bản đồ, chỉnh sửa, in ấn. Tuy nhiên cấu trúc này
có nhược điểm là phức tạp khi thực hiện các phép chồng xếp bản đồ.
Ảnh viễn thám có một số đặc điểm nổi bật như sau:
+ Tỷ lệ: Là tỷ số khoảng cách giữa hai điểm của một ảnh tương ứng với
khoảng cách trên mặt đất của hai điểm đó. Tỷ lệ hình ảnh được xác định bởi các
yếu tố như: Độ dài tiêu cự hiệu dụng của thiết bị viễn thám; độ cao mà từ đó hình
ảnh được thu nhận; yếu tố phóng đại được sử dụng trong in phóng ảnh.

9


+ Độ sáng và tone ảnh: Sự khác nhau về cường độ của bức xạ điện từ phát
ra từ địa hình tạo nên sự khác nhau về độ sáng của hình ảnh, độ sáng của hình
ảnh tỷ lệ với cường độ bức xạ phát ra từ các đối tượng.
+ Độ sáng: Đó là lượng ánh sáng tác động vào mắt của chủ thể mà có thể xác
định được một cách tương đối. Để đo cường độ ánh sáng người ta thường dùng
quang kế (photometro). Khi phân tích ảnh, để phân biệt độ sáng của ảnh có thể hiệu
chỉnh bằng thang cấp độ xám, ảnh được phân ra các vùng có tông sáng, trung
bình hay tối dựa vào thang độ xám.
Tone ảnh: là tổng hợp lượng ánh sáng được phản xạ về mặt đối tượng, là
dấu hiệu quan trọng để xác định đối tượng.
+ Độ phân giải không gian và năng lực phân giải: Độ phân giải được hiểu

như là khả năng để phân biệt hai đối tượng ở liền nhau trong một bức ảnh, nói chính
xác hơn là khoảng cách tối thiểu giữa các đối tượng mà có thể nhận biết
và phân biệt được trên ảnh. Năng lực phân giải và độ phân giải không gian là
hai khái niệm có sự liên hệ rất chặt chẽ. Khái niệm phân giải được áp dụng cho
một hệ thống tạo ảnh hay một thành phần của hệ thống, trong khi đó độ phân
giải không gian được áp dụng cho một ảnh được tạo ra bởi hệ thống đó. Độ
phân giải: Đây là đặc điểm quan trọng liên quan trực tiếp đến chất lượng ảnh, độ
phân giải chịu ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố như đặc điểm khu vực bay chụp,
hệ thống chụp ảnh, độ cao bay chụp, tốc độ bay chụp, điều kiện khí quyển tại
thời điểm chụp..
1.3. Phân loại ảnh viễn thám
- Ảnh quang học: Nguồn năng lượng chính là bức xạ Mặt Trời.
- Ảnh quang học là ảnh viễn thám nhận được dựa vào sự đo lường năng
lượng sóng điện từ có bước sóng nằm trong dải tần từ ánh sáng nhìn thấy đến hồng
ngoại phản xạ (từ 0,3µm đến 3µm).
- Ảnh nhiệt: Nguồn năng lượng sử dụng là bức xạ nhiệtdo chính vật thể sản
sinh ra. Ảnh nhiệt là loại ảnh được tạo ra bởi việc thu nhận các bước sóng
hồng ngoại phát ra từ vật thể (bước sóng 8 - 14µm).
10


- Ảnh radar:Nguồn năng lượng chính là sóng radar phản xạ từ các vật thể
do vệ tinh phát xuống theo những bước sóng đã được xác định.Ảnh radarlà loại
ảnh được tạo ra bởi việc thu nhận các bước sóng được sử nằm trong dải tần sóng
vô tuyến cao tần (1 cm - 1 m).
-Ảnh thu nhận bằng sóng địa chấn: cũng là một loại ảnh viễn thám
-Ảnh viễn thám có thể được lưu theo các kênh ảnh đơn (trắng đen) ở dạng
số
trong máy tính hoặc các kênh ảnh được tổ hợp (ảnh màu) hoặc có thể in ra giấy,
tùy theo mục đích người sử dụng.

1.4. Lịch sử phát triển của khoa học viễn thám
-Viễn thám là một khoa học, thực sự phát triển mạnh mẽ qua hơn ba thập kỷ
gần đây, khi mà công nghệ vũ trụ đã cho ra các ảnh số, bắt đầu được thu nhận từ
các vệ tinh trên quĩ đạo của trái đất vào năm 1960. Tuy nhiên, viễn thám có lịch sử
phát triển lâu đời, bắt đầu bằng việc chụp ảnh sử dụng phim và giấy ảnh.
Từ thế kỷ XIX, vào năm 1839, Louis Daguerre (1789 - 1881) đã đưa ra báo
cáo công trình nghiên cứu về hóa ảnh, khởi đầu cho ngành chụp ảnh.
- Năm 1858 G.F.Toumachon người Pháp đã sử dụng kinh khí cầu bay ở độ
cao 80 m để chụp ảnh từ trên không, từ sự việc này mà năm 1858 được coi là
năm khai sinh của ngành khoa học viễn thám.
- Chiến tranh thế giới thứ nhất (1914 - 1918) đánh dấu giai đoạn khởi đầu
của công nghệ chụp ảnh từ máy bay cho mục đích quân sự
- Trong chiến tranh thế giới thứ hai (1939 - 1945) không ảnh đã dùng chủ
yếu cho mục đích quân sự. Trong thời kỳ này, ngoài việc phát triển công nghệ
radar, còn đánh dấu bởi sự phát triển ảnh chụp sử dụng phổ hồng ngoại. Các bức
ảnh thu được từ nguồn năng lượng nhân tạo là radar, đã được sử dụng rộng rãi
trong quân sự.
-Bức ảnh đầu tiên, chụp về trái đất từ vũ trụ, được cung cấp từ tàu
xplorer -6 vào năm 1959. Tiếp theo là chương trình vũ trụ Mercury (1960), cho ra
các sản phẩm ảnh chụp từ quỹ đạo trái đất có chất lượng cao, ảnh màu có kích
thước 70mm, được chụp từ một máy tự động. Vệ tinh khí tượng đầu tiên (TR0S1),
11


được phóng lên quĩ đạo trái đất vào tháng 4 năm 1960, mở đầu cho việc quan
sát và dự báo khí tượng.
-Ngày 23-7-1972 Mỹ đã phóng thành công vệ tinh nhân tạo Landsat 1 mang
đến khả năng thu nhận thông tin có tính toàn cầu về các hành tinh trong đó có
Trái Đất và môi trường xung quanh.
-Tiếp theo vệ tinh nghiên cứu trái đất Landsat 1, là các vệ tinh thế hệ mới

hơn như Landsat 2, Landsat 3, Landsat 4 và Landsat 5. Ngay từ đầu, RTS-1 mang
theo bộ cảm quét đa phổ MSS với bốn kênh phổ khác nhau, và bộ cảm RBV
(Return

Beam

Vidicon)

với

ba

kênh

phổ

khác

nhau.

Từ 1982, các ảnh chuyên đề được thực hiện trên các vệ tinh Landsat TM -4
và Landsat TM -5 với 7 kênh phổ từ dải sóng nhìn thấy đến hồng ngoại nhiệt.
-Điều này tạo nên một ưu thế mới trong nghiên cứu trái đất từ nhiều dải phổ
khác nhau. Ngày nay, ảnh vệ tinh chuyên đề từ Landsat -7 đã được phổ biến với giá
rẻ hơn các ảnh vệ tinh Landsat TM -5, cho phép người sử dụng ngày càng có điều
kiện để tiếp cận với phương pháp nghiên cứu môi trường qua các dữ liệu vệ tinh.
-Dữ liệu ảnh vệ tinh SPOT của Pháp khởi đầu từ năm 1986, trải qua các thế
hệ SPOT 1, SPOT 2, SPOT 3, SPOT 4 và SPOT 5, đã đưa ra sản phẩm ảnh số
thuộc hai kiểu phổ, đơn kênh (panchoromatic) với độ phân dải không gian từ 10
x 10m đến 2,5 x 2,5m, và đa kênh SPOT - XS (hai kênh thuộc dải phổ nhìn thấy,

một kênh thuộc dải phổ hồng ngoại) với độ phân giải không gian 20 x 20m.
-Các ảnh vệ tinh của Nhật, như MOS -1, phục vụ cho quan sát biển (Marine
Observation Satellite).
Công nghệ thu ảnh vệ tinh cũng được thực hiện trên các vệ tinh của Ấn Độ
RS 1A, tạo ra các ảnh vệ tinh như LSS thuộc nhiều hệ khác nhau.
Riêng ở Việt Nam kỹ thuật viễn thám đã được đưa vào sử dụng từ những
năm 1976 tại Viện Quy hoạch rừng, mốc quan trọng để đánh dấu sự phát triển
của kỹ thuật viễn thám ở Việt Nam là sự hợp tác nhiều bên trong khuôn khổ của
chương trình vũ trụ Quốc tế (Inter Kosmos) nhân chuyến bay vũ trụ kết hợp Xô
– Việt tháng 7 năm 1980.

12


Tháng 4 năm 2008 Việt Nam đã thuê Pháp phóng thành công vệ tinh
VINASAT-1 (mua của Mỹ) lên quỹ đạo địa tĩnh lần đầu tiên.
1.5. Các phương pháp xử lý ảnh viễn thám
-Để xử lý ảnh viễn thám người ta sử dụng hai phương pháp là phương pháp
giải đoán ảnh bằng mắt thường và phương pháp xử lý số trên máy tính.
Phương pháp giải đoán ảnh bằng mắt thường: Giải đoán ảnh bằng mắt là
sử dụng mắt người cùng với trí tuệ để tách chiết các thông tin từ tư liệu viễn
thám dạng hình ảnh.
- Giải đoán bằng mắt (visual interpretaion) là công việc đầu tiên, phổ biến
nhất và có thể áp dụng trong mọi điều kiện có trang thiết bị từ đơn giản đến phức
tạp. Việc phân tích ảnh bằng mắt có thể được trợ giúp bằng một số thiết bị quang
học: kính lúp, kính lập thể, kính phóng đại, máy tổng hợp màu,... nhằm nâng cao
khả năng phân tích của mắt người.
- Cơ sở để giải đoán bằng mắt là đưa vào các dấu hiệu giải đoán trực tiếp
hoặc gián tiếp và chìa khóa giải đoán. Các yếu tố giải đoán (kích thước, hình dạng,
bóng, tone, màu, cấu trúc, mẫu và tổ hợp mối quan hệ) cũng như thời gian chụp

ảnh, mùa, kiểu phim, tỷ lệ ảnh,... sẽ được xem xét kỹ để thiết lập nên chìa khóa
giải đoán.
- Tư liệu ảnh viễn thám dùng để đoán đọc điều vẽ ảnh bằng mắt tốt nhất là
ảnh tổ hợp màu, vì màu sắc là một chuẩn tương đối ổn định, hơn nữa nó có tính
trực quan sinh động hơn ảnh đen trắng.
- Kết quả của giải đoán ảnh bằng mắt sẽ được chuyển thông tin lên bản đồ
nền theo các phương pháp là can vẽ, chiếu quang học, chuyển theo hệ thống lưới,
sử dụng máy đo vẽ ảnh.
-Phương pháp xử lý ảnh số: xử lý ảnh số là sự điều khiển và phân tích các
thông tin ảnh dạng số với sự trợ giúp của máy tính.
-Các dữ liệu ảnh vệ tinh thu được trong ký thuật viễn thám thường dưới dạng
số và được xử lý bởi máy tính để tạo ảnh đã được giải đoán ứng dụng vào nhiều
lĩnh vực khác nhau. Việc xử lý ảnh số trong viễn thám giữ vai trò quan trọng
trong việc tách thông tin hữu ích phục vụ rất nhiều chuyên ngành khác nhau.

Nhập dữ liệu
13


Khôi phục và hiệu chỉnh ảnh
Biến đổi ảnh
Phân loại ảnh
Xuất kết quả

14


Quy trình xử lý ảnh số:
-Nhập dữ liệu: Để xử lý ảnh số, trước hết ta phải tiến hành bước nhập tư
liệu gốc vào máy. Có hai nguồn tư liệu chính đó là ảnh tương tự do các máy chụp

cung cấp và ảnh số do các máy quét cung cấp.
Trong trường hợp ảnh tương tự sẽ được chuyển về dạng số thông qua các
máy quét. Trường hợp tư liệu là ảnh số thì nó sẽ được chuyển từ các băng từ lưu trữ
mật độ cao.
- Khôi phục và hiệu chỉnh ảnh: Đây là giai đoạn mà các tín hiệu số được
hiệu chỉnh hệ thống, bức xạ hoặc hình học nhằm tạo ra một tư liệu ảnh có thể sử
dụng được. Giai đoạn này thường được thực hiện trên các máy tính lớn tại các
trung tâm thu số liệu vệ tinh.
- Biến đổi ảnh: Các quá trình xử lý như tăng cường chất lượng ảnh, biến đổi
tuyến tính... là giai đoạn tiếp theo. Giai đoạn này có thể thực hiện trên các máy
tính trong khuôn khổ một phòng thí nghiệm, hay phòng công tác nội nghiệp.
- Phân loại: Phân loại đa phổ với mục đích tách các thông tin cần thiết phục
vụ việc theo dõi các đối tượng hay lập bản đồ chuyên đề là khâu then chốt của
việc khai thác tư liệu viễn thám.
- Xuất kết quả: Sau khi hoàn tất các khâu xử lý cần phải xuất kết quả. Kết
quả có thể dưới dạng phim ảnh, số hay các bản đồ đường nét. Trong đó kết quả
dạng số ngày càng được khai thác sử dụng nhiều vì nó là đầu vào rất tốt cho một
công nghệ mới là GIS - hệ thống thông tin địa lý. Trên cơ sở ứng dụng hệ thống
thông tin địa lý nhiều chủng loại thông tin khác nhau cùng được đưa vào xử lý
tạo ra một kết quả chính xác và phong phú hơn nhiều so với trường hợp chỉ sử
dụng tư liệu viễn thám.
2. Tổng quan về GIS
2.1 Khái niệm về GIS
2.1.1 Khái niệm về GIS
- GIS, viết tắt của cụm từ tiếng Anh: Geographic Information Systems, ngày
nay được biết đến nhiều trên thế giới như là một hệ thống thông tin địa lý
(HTTTĐL) có nhiệm vụ thu thập, lưu trữ, phân tích và hiển thị các dữ liệu địa lý.
15

GIS đang ngày càng "lấn lướt" nhiều công nghệ khác trong việc hỗ trợ ra quyết định
liên quan đến đất đai, môi trường, tài nguyên thiên nhiên, cơ sở hạ tầng, và kinh tế
xã hội.
-GIS là công nghệ tích hợp các thao tác trên cơ sở dữ liệu không gian với khả
năng tra cứu và phân tích, cùng khả năng hiển thị trực quan dưới dạng bản đồ.
2.1.2 Lịch Sử hình thành GIS
- Theo nhiều tài liệu cho thấy, lịch sử hình thành GIS không được cụ thể lắm
bởi lẽ những khái niệm tương tự GIS đã tồn tại ngay từ khi xuất hiện con người, từ
khi con người có nhu cầu đi lại, sinh hoạt, buôn bán,... Mặc dù vậy, sự đóng góp rất
lớn và rất tích cực của Giáo sư Roger Tomlinson vào năm 1963 đã khiến thế giới
phải công nhận ông chính là cha đẻ của GIS.
- Như chúng ta cũng biết, năm 1940 ngành đồ họa máy tính (Computer
Graphics) bắt đầu hình thành và phát triển. Sự khó khăn trong việc sử dụng các thiết
bị kinh điển để khảo sát những bài toán phức tạp hơn đã dẫn đến hình thành ngành
Bản đồ máy tính (Computer Cartographic) vào những năm 1960. Cũng thời gian
này, nhiều bản đồ đơn giản được xây dựng với các thiết bị vẽ và in.
- Tuy nhiên, chỉ khoảng 10 năm sau, năm 1971 khi chip bộ nhớ máy tính
được phổ biến, các ngành liên quan đến đồ họa trên máy tính thật sự chuyển biến và
phát triển mạnh. Nói đến GIS, chúng ta cũng có thể nghĩ đến việc lưu trữ và truy
vấn dữ liệu, đặc biệt là dữ liệu không gian đồ sộ. Những lý thuyết và thực tế về cơ
sở dữ liệu và hệ thống thông tin ra đời vào cuối những năm 60, đầu những năm 70
là một đóng góp khác cho sự ra đời của GIS. Tất cả những ý tưởng trên dường như
được hội tụ vào cùng một thời điểm. Roger Tomlinson là một trong những người
nhạy bén đón nhận những tinh hoa đó và chuyển thành một GIS.
- GIS ngày nay không chỉ dừng lại ở mức công nghệ mà nó đã tiến lên nhiều
nấc đến khoa học (Geographic Information Science - GISci) và dịch vụ (Geographic
Information Services)
2.2 Các thành phần của hệ thống thông tin địa lý (GIS)
Công nghệ GIS bao gồm 5 hợp phần cơ bản là:
- Thiết bị (hardware)

- Phần mềm (software)
16


- Số liệu (Geographic data)
- Chuyên viên (Expertise)
- Chính sách và phương pháp quản lý (Policy and methodology)
hhhhh

Hình 1 Các hợp phần thiết yếu cho công nghệ GIS
Một cách chi tiết có thể giải thích bao gồm các hợp phần như sau:
2.2.1 Thiết bị (hard ware)
Thiết bị bao gồm máy vi tính (computer), máy vẽ (plotters), máy in
(printer), bàn số hoá (digitizer), thiết bị quét ảnh (scanners), các phương tiện
lưu trữ số liệu (Floppy diskettes, CD ROM v.v...).

17


Hình 1 Các thành phần thiết bị cơ bản của GIS
•

Bộ xử lý trung tâm CPU
Bộ xử lý trung tâm hay còn gọi là CPU, là phần cứng quan trọng nhất của
máy vi tính. CPU không những thực hành tính toán trên dữ liệu, mà còn điều
khiển, sắp đặt phần cứng khác mà nó thì cần thiết cho việc quản lý thông tin theo
sau thông qua hệ thống. Mặc dù bộ vi xử lý hiện đại rất nhỏ chỉ khoảng 5mm2nó có khả năng thực hiện hàng ngàn, hoặc ngay cả hàng triệu thông tin trong một
giây.

•

Bộ nhớ trong (RAM)
Tất cả máy vi tính có một bộ nhớ trong mà chức năng như là "không gian
làm việc" cho chương trình và dữ liệu. Bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên (RAM) này
có khả năng giữ 1 giới hạn số lượng dữ liệu ở một số hạng thời gian (ví dụ, hệ điều
hành MS - DOS mẫu có 640Kb ở RAM). Điều này có nghĩa nó sẽ ít có khả năng
thực hiện điều hành phức tạp trên bộ dữ liệu lớn trong hệ điều hành.

•

Bộ sắp xếp và lưu trữ ngoài (diskette, harddisk, CD-ROM)
Băng có từ tính được giữ không những trong cuộn băng lớn (giống trong
cuộn băng máy hát đĩa) mà còn trong cuộn băng nhỏ (giống như cuốn băng được
dùng trong máy hát nhạc). Thuận lợi của dây băng có từ tính là nó có thể lưu trữ
một số lượng lớn dữ liệu. Sự gia tăng khả năng lưu trữ thực hiện bằng các đĩa có từ
tính. Các đĩa cứng với khả năng lưu trữ rất lớn (Khoảng 600-700Mb). Đĩa cứng
thông thường được sử dụng cho lưu trữ dữ liệu.

•

Các bộ phận dùng để nhập dữ liệu (INPUT DEVICES)

 Digitizer

Bàn số hoá bản đồ bao gồm 1 bàn hoặc bàn viết, mà bản đồ được trải rộng
ra và 1 cursor có ý nghĩa của các đường thẳng và các điểm trên bản đồ được định
vị. Trong toàn bộ bàn số hoá (digitizer) việc tổ chức được ghi bởi phương pháp
của một cột lưới tốt đã gán vào trong bàn. Dây tóc của cursor phát ra do sự đẩy
của từ tính điện mà nó được tìm thấy bởi cột lưới sắt và được chuyển giao đến máy vi
tính như một cặp tương xứng. Hầu như các cursor được vừa vặn với 4 hoặc nhiều nút

18


cho việc chuyển các tín hiệu đặc biệt cho việc điều khiển chương trình, ví dụ để chỉ ra
điểm cuối của đường thẳng. Các bàn số hoá (digitizer) hiện nay có kích thước thay
đổi từ bàn nhỏ là 27cm x 27cm đến bàn lớn từ 1m x 1.5m.

Hình 1 Bàn số hoá ( Digitizer)
 Scanner

Máy ghi scanner sẽ chuyển các thông tin trên bản đồ tương xứng 1 cách tự
động dưới dạng hệ thống raster. Một cách luân phiên nhau, bản đồ có thể được
trải rộng ra trên bàn mà đầu scanning di chuyển trong 1 loạt đường thẳng song
song nhau. Các đường quét (scan) phải được vector hoá trước khi chúng được đưa
vào hệ thống cơ sở dữ liệu vector.

Hình 1- Máy quét (Scanner) (Nguồn : Weir 1988)

•

Các bộ phận để in ấn (OUTPUT DEVICES)

 Máy in (printer)

Là bộ phận dùng để in ấn các thông tin, bản đồ, dưới nhiều kích thước
19


khác nhau tuỳ theo yêu cầu của người sử dụng, thông thường máy in có khổ từ A3
đến A4. Máy in có thể là máy màu hoặc trắng đen, hoặc là máy in phun mực,

Laser, hoặc máy in kim.

Hình 1- Máy in (printer)
 Máy vẽ (plotter)

Đối với những yêu cầu cần thiết phải in các bản đồ có kích thước lớn,
thường máy in không đáp ứng được mà ta phải dùng đến máy Plotter (máy
vẽ). Máy vẽ thường có kích thước của khổ A1 hoặc A0.

Hình 1 Máy vẽ (plotter)
2.2.2 Phần mềm (Software)
Là tập hợp các câu lệnh, chỉ thị nhằm điều khiển phần cứng của máy tính
thực hiện một nhiệm vụ xác định, phần mềm hệ thống thông tin địa lý có thể là một
hoặc tổ hợp các phần mềm máy tính. Phần mềm được sử dụng trong kỹ thuật
GIS phải bao gồm các tính năng cơ bản sau:
- Nhập và kiểm tra dữ liệu (Importing and checking data): Bao gồm tất cả
20


các khía cạnh về biến đổi dữ liệu đã ở dạng bản đồ, trong lĩnh vực quan sát vào
một dạng số tương thích. Đây là giai đoạn rất quan trọng cho việc xây dựng cơ sở
dữ liệu địa lý.
- Lưu trữ và quản lý cơ sở dữ liệu (Storing and management database): Lưu
trữ và quản lý cơ sở dữ liệu đề cập đến phương pháp kết nối thông tin vị trí
(topology) và thông tin thuộc tính (attributes) của các đối tượng địa lý (điểm,
đường, vùng) đại diện cho các đối tượng trên bề mặt đất). Hai thông tin này được
tổ chức và liên hệ qua các thao tác trên máy tính và sao cho chúng có thể lĩnh hội
được bởi người sử dụng hệ thống.
- Xuất dữ liệu (Data exporting): Dữ liệu đưa ra là các báo cáo kết quả quá
trình phân tích tới người sử dụng, có thể bao gồm các dạng: Bản đồ (MAP), bảng

biểu (TABLE), biểu đồ, lưu đồ (FIGURE) được thể hiện trên máy tính, máy in,
máy vẽ...
- Biến đổi dữ liệu (Data transformation): Biến đổi dữ liệu gồm hai
lớp điều hành nhằm mục đích khắc phục lỗi từ dữ liệu và cập nhật chúng. Biến
đổi dữ liệu có thể được thực hiện trên dữ liệu không gian và thông tin thuộc tính
một cách tách biệt hoặc tổng hợp cả hai.
- Tương tác với người dùng (Query input): Giao tiếp với người dùng là yếu
tố quan trọng nhất của bất kỳ hệ thống thông tin nào. Các giao diện người dùng ở
một hệ thống tin được thiết kế phụ thuộc vào mục đích của ứng dụng đó. Các phần
mềm tiêu chuẩn và sử dụng phổ biến hiện nay trong khu vực Châu Á là
ARC/INFO, MAPINFO, ILWIS, WINGIS, SPANS, IDRISIW,... Hiện nay, có
rất nhiều phần mềm máy tính chuyên biệt cho GIS, bao gồm các phần mềm như
sau:
 Phần mềm dùng cho lưu trữ, xử lý số liệu thông tin địa lý: ACR/INFO, SPAN,

ERDAS - Imagine, ILWIS, MGE/MICROSTATION, IDRISIW, IDRISI.
 Phần mềm dùng cho lưu trữ, xử lý và quản lý các thông tin địa lý: ER-

MAPPER, ATLASGIS, ARCVIEW, MAPINFO,..
Tuỳ theo yêu cầu và khả năng ứng dụng trong công việc cũng như khả
năng kinh phí của đơn vị, việc lựa chọn một phần mềm máy tính sẽ khác nhau.
21


2.2.3 Chuyên viên (Expertise)
Đây là một trong những hợp phần quan trọng của công nghệ GIS, đòi hỏi
những chuyên viên hướng dẫn sử dụng hệ thống để thực hiện các chức năng phân
tích và xử lý các số liệu. Đòi hỏi phải thông thạo về việc lựa chọn các công cụ
GIS để sử dụng, có kiến thức về các số liệu đang được sử dụng và thông hiểu các
tiến trình đang và sẽ thực hiện.

22


2.2.4 Số liệu, dữ liệu địa lý (Geographic data)
Số liệu được sử dụng trong GIS không chỉ là số liệu địa lý (georeferenced data) riêng lẽ mà còn phải được thiết kế trong một cơ sở dữ liệu
(database). Những thông tin địa lý có nghĩa là sẽ bao gồm các dữ kiện về vị trí
địa lý, thuộc tính (attributes) của thông tin, mối liên hệ không gian (spatial
relationships) của các thông tin, và thời gian. Có 2 dạng số liệu được sử dụng
trong kỹ thuật GIS là:
- Cơ sở dữ liệu không gian: Là những mô tả hình ảnh bản đồ hoặc ảnh vệ
tinh được số hoá theo một khuôn dạng nhất định mà máy tính hiểu được. Hệ
thống thông tin địa lý dùng cơ sở dữ liệu này để xuất ra các bản đồ trên màn hình
hoặc ra các thiết bị ngoại vi khác như máy in, máy vẽ.
 Số liệu Vector: Được trình bày dưới dạng điểm, đường và diện tích, mỗi dạng có

liên quan đến 1 số liệu thuộc tính được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu.
 Số liệu Raster: Được trình bày dưới dạng lưới ô vuông hay ô chữ nhật đều nhau,

giá trị được ấn định cho mỗi ô sẽ chỉ định giá trị của thuộc tính. Số liệu của ảnh Vệ
tinh và số liệu bản đồ được quét (scanned map) là các loại số liệu Raster.
- Dữ liệu phi không gian (dữ liệu thuộc tình - Attribute): Được trình bày
dưới dạng các ký tự, số, hoặc ký hiệu để mô tả thuộc tính của các thông tin thuộc
về địa lý.
Trong các dạng số liệu trên, số liệu Vector là dạng thường sử dụng nhất.
Tuy nhiên, số liệu Raster rất hữu ích để mô tả các dãy số liệu có tính liên tục như:
Nhiệt độ, cao độ...Và thực hiện các phân tích không gian (Spatial analyses) của số
liệu. Còn số liệu thuộc tính được dùng để mô tả cơ sở dữ liệu.
2.2.5 Chính sách và phương pháp (Policy and methodology)
Đây là hợp phần rất quan trọng để đảm bảo khả năng hoạt động của hệ

thống, là yếu tố quyết định sự thành công của việc phát triển công nghệ GIS. Hệ
thống GIS cần được điều hành bởi một bộ phận quản lý, bộ phận này phải được bổ
nhiệm để tổ chức hoạt động hệ thống GIS một cách có hiệu quả để phục vụ người
sử dụng thông tin. Để hoạt động thành công, hệ thống GIS phải được đặt trong 1
khung tổ chức phù hợp và có những hướng dẫn cần thiết để quản lý, thu thập, lưu
23


trữ và phân tích số liệu, đồng thời có khả năng phát triển được hệ thống GIS theo
nhu cầu. Hệ thống GIS cần được điều hành bởi 1 bộ phận quản lý, bộ phận này
phải được bổ nhiệm để tổ chức hoạt động hệ thống GIS một cách có hiệu quả để
phục vụ người sử dụng thông tin. Trong quá trình hoạt động, mục đích chỉ có thể
đạt được và tính hiệu quả của kỹ thuật GIS chỉ được minh chứng khi công cụ này
có thể hỗ trợ những người sử dụng thông tin để giúp họ thực hiện được những
mục tiêu công việc. Ngoài ra, việc phối hợp giữa các cơ quan chức năng có liên
quan cũng phải được đặt ra, nhằm gia tăng hiệu quả sử dụng của GIS cũng như các
nguồn số liệu hiện có.
Như vậy, trong 5 hợp phần của GIS, hợp phần chính sách và phương pháp
đóng vai trò rất quan trọng để đảm bảo khả năng hoạt động của hệ thống, đây là
yếu tố quyết định sự thành công của việc phát triển công nghệ GIS.
Trong phối hợp và vận hành các hợp phần của hệ thống GIS nhằm đưa vào
hoạt động có hiệu quả kỹ thuật GIS, 2 yếu tố huấn luyện và chính sách- phương
pháp là cơ sở của thành công. Việc huấn luyện các phương pháp sử dụng hệ thống
GIS sẽ cho phép kết hợp các hợp phần: Thiết bị, Phần mềm, Chuyên viên và số
liệu với nhau để đưa vào vận hành. Tuy nhiên, yếu tố chính sách và phương pháp
sẽ có tác động đến toàn bộ các hợp phần nói trên, đồng thời quyết định đến sự
thành công của hoạt động GIS.
2.3 Cơ sở dữ liệu trong GIS
Một cơ sở dữ liệu của hệ thống thông tin địa lý có thể chia ra làm 2 loại số
liệu cơ bản: Cơ sở dữ liệu không gian và cơ sở dữ liệu phi không gian. Mỗi loại

có những đặc điểm riêng và chúng khác nhau về yêu cầu lưu giữ số liệu, hiệu quả,
xử lý và hiển thị.
Cơ sở dữ liệu không gian là những mô tả số của hình ảnh bản đồ, chúng
bao gồm tọa độ, quy luật và các ký hiệu dùng để xác định một hình ảnh cụ thể trên
từng bản đồ. Hệ thống thông tin địa lý dùng các số liệu không gian để tạo ra một
bản đồ hay hình ảnh bản đồ trên màn hình hoặc trên giấy thông qua thiết bị ngoại
vi.
Cơ sở dữ liệu phi không gian là những diễn tả đặc tính, số lượng, mối quan
24


hệ của các hình ảnh bản đồ với vị trí địa lý của chúng. Các dữ liệu phi không gian
được gọi là dữ liệu thuộc tính, chúng liên quan đến vị trí địa lý hoặc các đối tượng
không gian và liên kết chặt chẽ với chúng trong hệ thống thông tin địa lý thông qua
một cơ chế thống nhất chung.
2.3.1 Mô hình thông tin không gian
Dữ liệu là trung tâm của hệ thống GIS, hệ thống GIS chứa càng nhiều thì
chúng càng có ý nghĩa. Dữ liệu của hệ GIS được lưu trữ trong CSDL và chúng
được thu thập thông qua các mô hình thế giới thực. Dữ liệu trong hệ GIS còn
được gọi là thông tin không gian. Đặc trưng thông tin không gian là có khả năng
mô tả “vật thể ở đâu” nhờ vị trí tham chiếu, đơn vị đo và quan hệ không gian.
Chúng còn khả năng mô tả “hình dạng hiện tượng” thông qua mô tả chất lượng,
số lượng của hình dạng và cấu trúc. Cuối cùng, đặc trưng thông tin không gian
mô tả “quan hệ và tương tác” giữa các hiện tượng tự nhiên. Mô hình không gian
đặc biệt quan trọng vì cách thức thông tin sẽ ảnh hưởng đến khả năng thực hiện
phân tích dữ liệu và khả năng hiển thị đồ hoạ của hệ thống.
2.3.1.1 Hệ thống vector
•

Kiểu đối tượng điểm (Points)

Các đối tượng kiểu điểm có các đặc điểm:

•

Là tọa độ đơn (x,y)

•

Không cần thể hiện chiều dài và diện tích
Trên bản đồ tỷ lệ lớn, đối tượng thể hiện dưới dạng vùng. Tuy nhiên trên
bản đồ tỷ lệ nhỏ, đối tượng này có thể thể hiện dưới dạng một điểm. Vì vậy, các
đối tượng điểm và vùng có thể được dùn0g phản ánh lẫn nhau.

25

Hình 1-7 Số liệu vector được biểu thị dưới dạng điểm