Tích hợp GIS và ảnh viễn thám hỗ trợ quản lý vùng ven biển Hải Phòng

1

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

Lê Thanh Bình

TÍCH HỢP GIS VÀ ẢNH VIỄN THÁM HỖ TRỢ
QUẢN LÝ VÙNG VEN BIỂN HẢI PHÒNG
Chuyên ngành:
Mã số:

KHOA HỌC MÁY TÍNH
60 48 01

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH KHOA HỌC MÁY TÍNH

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS. Đặng Văn Đức

Thái Nguyên - 2010

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên




2

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bản luận văn “Tích hợp GIS và ảnh viễn thám hỗ
trợ quản lý vùng ven biển Hải Phòng” là công trình nghiên cứu của tôi dưới
sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Đặng Văn Đức, tham khảo các nguồn tài
liệu đã được chỉ rõ trong trích dẫn và danh mục tài liệu tham khảo. Các nội
dung công bố và kết quả trình bày trong luận văn này là trung thực và chưa
từng được ai công bố trong bất cứ công trình nào.

Thái Nguyên, ngày 10 tháng 10 năm 2010

Lê Thanh Bình

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên




3

PHỤ LỤC
MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 6
1. Lý do chọn đề tài............................................................................................ 6
2. Mục tiêu nghiên cứu và tính cấp thiết của đề tài ............................................. 6
3. Phạm vi nghiên cứu và ứng dụng ................................................................... 6
4. Ý nghĩa khoa học ........................................................................................... 6
5. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................ 6
TỔNG QUAN ......................................................................................................... 7
NỘI DUNG ............................................................................................................. 6
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ GIS VÀ VIỄN THÁM...................................... 9
1.1. Khái quát về Hệ thông tin địa lý GIS ............................................................. 9
1.1.1. Khái niệm Hệ thông tin địa lý.................................................................. 9

1.1.2. Các thành phần của Hệ thông tin địa lý ................................................. 12
1.1.3. Các chức năng của Hệ thống thông tin địa lý ......................................... 15
1.1.4. Hệ thông tin địa lý làm việc như thế nào ............................................... 17
1.2. Khái quát về viễn thám ................................................................................ 22
1.2.1. Định nghĩa ............................................................................................ 22
1.2.2. Phân loại viễn thám theo bước sóng ...................................................... 22
1.2.3. Nguyên lý cơ bản của viễn thám............................................................. 23
1.2.4. Ứng dụng của viễn thám ....................................................................... 25
1.2.5. Phân loại viễn thám ............................................................................... 26
1.2.6. Vấn đề thu nhận và phân tích tư liệu viễn thám ..................................... 28
CHƢƠNG 2. TÍCH HỢP GIS VÀ ẢNH VIỄN THÁM TRONG QUẢN LÝ
TÀI NGUYÊN THIÊN NHIÊN VÀ MÔI TRƢỜNG ........................................ 30
2.1 Thu thập ảnh viễn thám bằng TerraLook ...................................................... 30
2.2 Thu thập và tiền xử lý dữ liệu bản đồ véctơ .................................................. 31
2.3 Nắn chỉnh dữ liệu bản đồ .............................................................................. 38
2.4 Đơn giản hóa dữ liệu không gian .................................................................. 42
2.5 Chồng ghếp bản đồ ....................................................................................... 43
2.6 Một số thuật toán minh họa .......................................................................... 48
CHƢƠNG 3. THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH BIẾN ĐỘNG ............................... 54

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên




4

3.1 Giới thiệu bài toán ........................................................................................ 54
3.2 Giới thiệu về ArcGIS.................................................................................... 54
3.2.1 Giới thiệu về phần mềm ArcGIS .......................................................... 54

3.2.2 Giới thiệu về ArcMap ........................................................................... 55
3.3 Vị trí vùng nghiên cứu .................................................................................. 57
3.4 Khái quát biến động địa hình vùng nghiên cứu ............................................. 58
3.4.1 Nắn chỉnh bản đồ vector theo ảnh vệ tinh ............................................. 58
3.4.2 Chồng ghép bản đồ ............................................................................... 61
3.4.3 Tính diện tích biến động ....................................................................... 62
KẾT LUẬN ....................................................................................................... 63
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................. 64

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên




5

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Mô hình một hệ thống thông tin địa lý ..................................................... 9
Hình 1.2. Các tầng trong GIS ................................................................................. 9
Hình 1.3. Các thành phần của GIS ....................................................................... 11
Hình 1.4. Sơ đồ tổ chức hệ thống phần cứng máy tính .......................................... 12
Hình 1.5. Phần mềm GIS và các chức năng thực hiện........................................... 13
Hình 1.6. Chức năng của Hệ thống thông tin địa lý .............................................. 15
Hình 1.7: Các layer .............................................................................................. 16
Hình 1.8. Dữ liệu biểu diễn dạng Vector............................................................... 18
Hình 1.9. Dữ liệu biểu diễn dạng Raster ............................................................... 19
Hình 1.10. Biểu diễn dạng vector, raster .............................................................. 19
Hình 1.11. Mô tả các dạng Raster, Vector và bề mặt trái đất................................ 20
Hình 1.12. Phân loại viễn thám theo bước sóng.................................................... 22
Hình 1.13. Nghiên cứu viễn thám theo đa quan niệm .................................................... 23

Hình 1.14. Hoạt động của hệ thống viễn thám chủ động và bị động...................... 26
Hình 1.15 Mô hình viễn thám vệ tinh địa tĩnh và viễn thám vệ tinh quỹ đạo cực ... 26
Hình 2.1: Ảnh vệ tinh Landsat năm 2000 chụp dải bờ biển Hải Phòng ................. 30
Hình 2.2. Ảnh vệ tinh Landsat năm 1990 chụp dải bờ biển Hải Phòng ................. 30
Hình 2.3. Phần mềm nhập bản đồ qua bàn số hóa ................................................ 35
Hình 2.4. Số hóa bản đồ ....................................................................................... 36
Hình 2.5. Minh họa thuật toán Douglas-Peucker .................................................. 36
Hình 2.6. Chồng ghép dữ liệu ............................................................................. 42
Hình 2.7. Chồng ghép đa giác ............................................................................ 44
Hình 2.8. Tiến trình phủ đa giác ........................................................................... 45
Hình 2.9. Đường và đa giác lệch nhau ................................................................. 46
Hình 2.10. Giao của các đoạn thẳng .................................................................... 48
Hình 2.11. Điểm trong đa giác ............................................................................. 49
Hình 2.12. Điểm trong đa giác ............................................................................. 49
Hình 2.13. Diện tích đa giác ................................................................................. 50
Hình 2.14. Giao 2 đa giác .................................................................................... 51
Hình 2.15. Xác định cạnh trong đa giác ............................................................... 52
Hình 2.16. Tách các đa giác kết quả ..................................................................... 52
Hình 3.1. Giới thiệu ArcGIS ......................................................................................... 54
Hình 3.2. Giới thiệu ArcMAP ....................................................................................... 56
Hình 3.3. Các điểm khống chế được lựa chọn ...................................................... 57
Hình 3.4. Lựa chọn điểm khống chế trên bản đồ vector ........................................ 58
Hình 3.5. Lựa chọn điểm khống chế tương ứng trên ảnh VT năm 2000 ................. 58
Hình 3.6. Thao tác nắn chỉnh................................................................................ 59
Hình 3.7. Nắn chỉnh bản đồ vector theo ảnh vệ tinh năm 2000 ............................. 59
Hình 3.8. Nắn chỉnh bản đồ vector theo ảnh vệ tinh năm 1990 ............................. 60

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Mô hình dữ liệu Vectơ .......................................................................... 17
Bảng 1.2 So sánh mô hình Raster và Vector ......................................................... 19

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên




6

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
- Công nghệ GIS và viễn thám đã được các nước phát triển trên thế giới
phát triển ứng dụng hiệu quả, tại Việt Nam hiện tại công nghệ này mới ở giai
đoạn khởi đầu.
- Hải Phòng là thành phố có dải bờ biển đẹp và tương đối dài. Theo thời
gian thì dải bờ biển này có sự biến động. Lựa chọn đề tài này để nắm được và
chỉ ra sự biến động đó.
2. Mục tiêu nghiên cứu và tính cấp thiết của đề tài
Ứng dụng GIS và viễn thám trong việc xác định biến động dải bờ biển Hải
Phòng theo thời gian.
3. Phạm vi nghiên cứu và ứng dụng
- Các tài liệu, thông tin có liên quan tới GIS
- Các tài liệu, thông tin liên quan tới xử lý ảnh viễn thám và dữ liệu bản đồ
4. Ý nghĩa khoa học
Thông qua việc sử dụng công nghệ GIS và ảnh viễn thám để hỗ trợ công
tác quản lý tài nguyên thiên nhiên.
5. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Khai thác thông tin từ nhiều nguồn, hệ thống hóa và lựa chọn các thông
tin cần thiết.
- Tìm hiểu, khảo sát thực tế hiện trạng công tác quản lý tài nguyên thiên
nhiên

- Sử dụng các công cụ thu thập và xử lý ảnh viễn thám, thu thập dữ liệu
bản đồ
- Sử dụng phương pháp chuyên gia phân tích và thiết kế hệ thống, xây
dựng kiến trúc tổng thể, xây dựng các chi tiết kỹ thuật, nghiên cứu xây dựng
mô hình.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên




7

TỔNG QUAN
Việt Nam có đường bờ biển dài 3200 km, với khoảng 3000 đảo và khoảng
4000 xã ven biển. Cũng giống như nhiều nước Đông Nam Á, phần lớn dân số,
công nghiệp, dịch vụ, đầu tư, những thành phố lớn đều nằm ven biển. Thành
phố Hải Phòng có dải bờ biển dài trên 125 km, thấp và khá bằng phẳng, cấu
tạo chủ yếu là cát bùn do 5 cửa sông chính đổ ra biển. Có khoảng gần 40%
dân số sống trên diện tích 780km2 thuộc các xã, quận, huyện sát biển. Khu
nội thành được đô thị hóa trên trăm năm nằm ngay cận cửa biển Nam Triệu.
Vì vậy, Hải Phòng là địa phương chịu nhiều tác động môi trường do ảnh
hưởng của nước biển dâng. Xói sạt bờ biển là hiện tượng phổ biến ở ven biển
Hải Phòng, kể cả ở bờ các đảo và nhiều đoạn nằm sâu phía trong
và nhiều đoạn bờ nằm sâu phía trong các cửa sông. Xói lở các đoạn bờ đảo
Cát Hải đã trở thành điển hình cả nước.
Đời sống của một bộ phận không nhỏ của những ngư dân sống trong vùng
ven biển vẫn còn gặp nhiều khó khăn, trình độ dân trí thấp, phương thức khai
thác tài nguyên còn lạc hậu. Đây là một nguyên nhân dẫn đến sự suy giảm tài
nguyên biển, và ảnh hưởng sâu sắc đến tình hình kinh tế, chính trị, môi trường
sinh thái. Đứng trước thực tế đó, việc tìm ra sự thay đổi địa hình dải bờ biển

Hải Phòng và các nguyên nhân nhằm giúp các nhà hoạch định chính sách đưa
ra các biện pháp bảo vệ và sử dụng bền vững nguồn tài nguyên biển là một
việc làm hết sức quan trọng và cần thiết.
Nghiên cứu về tài nguyên môi trường đã được thực hiện không chỉ dựa
trên các phương tiện, công nghệ truyền thống mà đã bắt đầu thực hiện bằng
các hệ thống quan sát từ xa đặt trên các vệ tinh nhân tạo hoặc các thiết bị bay
có người điều khiển. Công nghệ vũ trụ với các hệ thống thu thập thông tin đa
phổ, đa thời gian đã cho phép chúng ta thực hiện các công việc thu thập và
tổng hợp dữ liệu một cách nhanh chóng hơn, hiệu quả hơn. Việc ứng dụng các
công nghệ vũ trụ đã và đang đem lại những hiệu quả to lớn trong việc gìn giữ
và phát triển bền vững nguồn tài nguyên thiên nhiên

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên




8

Ngày nay, qua thực tế và các công trình nghiên cứu, con người cũng đã
nhận thấy tính không ổn định của hệ thống Trái đất với các hiện tượng như lũ
lụt, hạn hán, sạt nở đất, các báo động về nguồn nước ngầm,…, do đó, để có
thể đưa ra những quyết định cũng như các kế hoạch đúng đắn trong việc sử
dụng hợp lý nguồn tài nguyên biển, thì ngoài các nghiên cứu chuyên đề khác,
chúng ta phải đánh giá được thực trạng biến đổi dải bờ biển qua các thời kỳ.
Vùng biển thành phố Hải Phòng là nơi có sự thay đổi tương đối mạnh về
địa chất, đặc biệt dải bờ biển trong những năm gần đây do sự tác động mạnh
của thiên nhiên và con người đã có sụ biến động. Hiện nay có nhiều phương
pháp cũng như cách tiếp cận khác nhau để theo dõi, nghiên cứu sự thay đổi
địa hình bờ biển. Phương pháp ứng dụng viễn thám và GIS là một trong

những phương pháp hiện đại, sử dụng công cụ mạnh có khả năng giúp giải
quyết những vấn đề về không gian ở tầm vĩ mô trong một thời gian ngắn và
trên một diện tích rộng. Từ những quan điểm nêu trên thì việc nghiên cứu và
phát triển rộng phương pháp sử dụng dữ liệu ảnh viễn thám và các dữ liệu địa
lý để tìm hiểu sự thay đổi hiện trạng bờ biển và xem xét các sự thay đổi đó
nhằm đưa ra những khuyến cáo phù hợp để tăng cường hơn nữa công tác
quản lý dải bờ biển.
Nghiên cứu, đánh giá sự thay đổi dải bờ biển qua các giai đoạn khác nhau
đã có nhiều tác giả đề cập trong nhiều các công trình và đề tài nghiên cứu.
Tuy nhiên việc áp dụng chúng vào những hoàn cảnh cụ thể cũng rất cần được
nghiên cứu để tìm ra cách tiếp cận hợp lý cũng như đánh giá khả năng ứng
dụng của chúng một cách đúng đắn. Từ các lý do như đã nêu, được sự đồng ý
của khoa Công nghệ thông tin tôi tiến hành nghiên cứu đề tài:
“Tích hợp GIS và ảnh viễn thám hỗ trợ quản lý vùng ven biển Hải Phòng”.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên




9

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ GIS VÀ VIỄN THÁM
1.1. Khái quát về Hệ thông tin địa lý GIS
1.1.1. Khái niệm Hệ thông tin địa lý
Có nhiều cách hiểu cũng như định nghĩa khác nhau về GIS, song đều có
điểm giống nhau như: bao hàm dữ liệu không gian, phân biệt giữa hệ thông
tin quản lý và GIS. So với bản đồ thì GIS lưu trữ và biểu diễn dữ liệu hoàn
toàn độc lập với nhau. GIS cung cấp khả năng quan sát trên các góc độ khác
nhau với cùng một tập dữ liệu.

Theo cách định nghĩa của dự án The Geographer’s Craft khoa địa lý
trường đại học TEXAS : GIS là cơ sở dữ liệu (CSDL) số chuyên dụng trong
đó hệ trục toạ độ không gian là phương tiện tham chiếu chính. GIS gồm các
công cụ để thực hiện các công việc sau :
- Nhập số liệu từ bản đồ giấy, ảnh vệ tinh, ảnh máy bay, số liệu tổng hợp
từ các nguồn khác.
- Lưu trữ dữ liệu, khai thác, truy vấn CSDL.
- Biến đổi dữ liệu, phân tích, mô hình hoá bao gồm các dữ liệu thống kê và
dữ liệu không gian.
- Lập báo cáo gồm các bản đồ chuyên đề, bảng biểu, kế hoạch.
Từ định nghĩa trên cho thấy 3 vấn đề cơ bản của GIS:
- Thứ nhất: GIS có quan hệ với ứng dụng CSDL, toàn bộ thông tin trong
GIS đều liên kết với tham chiếu không gian, CSDL GIS sử dụng phép chiếu
không gian như phương tiện chính để lưu trữ và xâm nhập thông tin.
- Thứ hai: GIS là công nghệ tích hợp, một hệ thống GIS đầy đủ có khả
năng phân tích bao gồm phân tích ảnh vệ tinh, ảnh máy bay… hay tạo mô
hình thống kê, vẽ bản đồ.
- Thứ ba: GIS không chỉ đơn thuần là hệ thống phần cứng, phần mềm rời
rạc mà còn sử dụng vào hỗ trợ quyết định.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên




10

Theo cách định nghĩa của David Cowen (Hoa kỳ): GIS là hệ thống phần
cứng, phần mềm và các thủ tục được thiết kế để thu thập, quản lý, xử lý, phân
tích, mô hình hoá và hiển thị các dữ liệu qui chiếu không gian để giải quyết

các vấn đề quản lý và lập kế hoạch phức tạp.
Độ phức tạp của thế giới thực là không giới hạn. Để lưu trữ, quản lý các
dữ liệu về thế giới thực cần có một CSDL lớn. Khi lưu trữ dữ liệu này cần
giảm số lượng dữ liệu đến mức có thể quản lý được bằng các quá trình đơn
giản hoá hay trừu tượng hoá. Thực chất đó là quá trình tập trung chọn lọc
những điểm cơ bản, đặc trưng nhất của đối tượng cần lưu trữ, loại bỏ các chi
tiết thừa không cần thiết đồng thời hình tượng hoá đối tượng đó.
Phần mềm
công cụ

GIS
+

CSDL

trừu tượng
hoá

Thế giới thực
Người sử dụng

Kết quả

Hình 1.1. Mô hình một hệ thống thông tin địa lý
Mục tiêu của GIS là: cung cấp cấu trúc một hệ thống để quản lý các thông
tin địa lý khác nhau và phức tạp, các công cụ, các thao tác hiển thị, truy vấn,
mô phỏng…. GIS lưu thông tin về thế giới thực thành các tầng bản đồ chuyên
đề (Layer) có khả năng liên kết địa lý với nhau từ các đối tượng có liên quan,
khi thể hiện một bản đồ chuyên đề các layer tương ứng được gọi ra.
Layer CTCC

Layer nhà ở
Layer đường
thông
Layer địa hình

Hình 1.2. Các tầng trong GIS
Ví dụ bản đồ một thành phố có thể được tách thành các layer để hiển thị và
lưu trữ dữ liệu như hình trên.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên




data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not

read....



data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....

data error !!! can't not
read....

data error !!! can't not
read....

data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....

data error !!! can't not
read....