Nghiên cứu giải pháp đánh giá độ chính xác mô hình số độ cao toàn cầu (Luận văn thạc sĩ)

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG HÀ NỘI

NGUYỄN TRỌNG THÀNH

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP ĐÁNH GIÁ
ĐỘ CHÍNH XÁC MÔ HÌNH SỐ ĐỘ CAO TOÀN CẦU
Ngành: Kỹ thật Trắc địa - Bản đồ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội – Năm 2019


BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG HÀ NỘI

NGUYỄN TRỌNG THÀNH

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP ĐÁNH GIÁ
ĐỘ CHÍNH XÁC MÔ HÌNH SỐ ĐỘ CAO TOÀN CẦU

Ngành

: Kỹ thật Trắc địa - Bản đồ

Mã ngành

: 60520503

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội – Năm 2019


LỜI CAM ĐOAN

Những kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn là hoàn toàn
trung thực, của học viên, không vi phạm bất cứ điều gì trong luật sở hữu trí
tuệ và pháp luật Việt Nam. Nếu sai, học viên hoàn toàn chịu trách nhiệm
trước pháp luật.
TÁC GIẢ LUẬN VĂN
(Ký và ghi rõ họ tên)


CÔNG TRÌNH ĐƢỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG HÀ NỘI
Cán bộ hướng dẫn: TS. Nguyễn Xuân Bắc
Cán bộ chấm phản biện 1: TS. Nguyễn Đại Đồng
Cán bộ chấm phản biện 2: PGS.TS. Trần Xuân Trường
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại:
HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI
Ngày 19 tháng 01 năm 2019


TÓM TẮT LUẬN VĂN
+ Họ và tên học viên: Nguyễn Trọng Thành
+ Lớp: CH3A.TĐ

Khoá: 3

+ Cán bộ hướng dẫn: TS. Nguyễn Xuân Bắc
+ Tên đề tài: Nghiên cứu giải pháp đánh giá độ chính xác mô hình số
độ cao toàn cầu
+ Tóm tắt: Đề tài nghiên cứu giải pháp đánh giá độ chính xác mô hình
số độ cao toàn cầu (Shuttle Radar Topography Mission - SRTM). Kết quả
nghiên cứu cho thấy mô hình SRTM có sự phù hợp tốt với lãnh thổ Việt Nam.
Do đó, mô hình SRTM có thể áp dụng khai thác trên lãnh thổ Việt Nam với
các mức phân giải 30 m, 90m và 900m độ chính xác (giá trị trung bình trị
tuyệt đối độ lệch) đạt được trung bình lần lượt nhỏ hơn 36,88 mét, 40,64 mét
và 73,77 mét. Ngoài ra, mô hình SRTM cũng phù hợp ở Trung Bộ, Nam Bộ ở
mức phân giải 30 m độ chính xác đạt được trung bình nhỏ hơn 6,1 mét, vùng
Bắc Trung Bộ mức phân giải 90m độ chính xác đạt được trung bình nhỏ hơn
7,8 mét, vùng Bắc Trung Bộ mức phân giải 900 m độ chính xác đạt được
trung bình nhỏ hơn 33,3 mét. Đối với các điểm Sử dụng toạ độ, độ cao đo
GNSS - Thuỷ chuẩn và số liệu độ cao bóc từ bản đồ địa hình tỷ lệ 1/10000
vùng Bắc Trung bộ thì kết quả đạt được là rất tốt.
Đề tài cũng tiến hành đánh giá độ chính xác của mô hình SRTM trên
lãnh thổ Việt Nam theo tiêu chí sai số trung phương, mức độ phù hợp của mô
hình SRTM với độ phân giải 30 m, 90m và 900m có sai số trung phương lần
lượt đạt 50,3 m, 50,8 m và 70 m. Mức độ phù hợp của mô hình SRTM được
thể hiện rõ nét nhất đối với vùng Nam Bộ, vùng Bắc Trung Bộ sau đó đến
vùng Nam Trung Bộ và Bắc Bộ.


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................... 1
MỤC LỤC .................................................................................................... 4
DANH MỤC BẢNG BIỂU .......................................................................... 6
DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................... 7

MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 1
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH SỐ ĐỘ CAO ........................ 6
1.1. Khái niệm và phân loại mô hình số độ cao ........................................................ 6
1.1.1. Khái niệm mô hình số độ cao ......................................................................... 6
1.1.2. Phân loại mô hình số độ cao .......................................................................... 8
1.2. Nguồn số liệu xây dựng mô hình số độ cao ..................................................... 11
1.2.1. Thu thập số liệu xây dựng mô hình số độ cao bằng phương pháp đo đạc ngoài
thực địa ................................................................................................................. 11
1.2.2. Thu thập ngu n số liệu xây dựng mô hình số độ cao bằng đo ảnh ................ 12
1.2.3. Thu thập số liệu xây dựng mô hình số độ cao bằng cách số h a bản đ địa
hình c sẵn ............................................................................................................ 15
1.2.4. Phương pháp l y m u cho xây dựng mô hình số độ cao bằng cách ứng dụng
công nghệ Laser đặt trên máy bay (LIDAR)........................................................... 16
1.2.5. Phương pháp l y m u cho xây dựng mô hình số độ cao bằng cách ứng dụng
công nghệ RADAR độ mở tổng hợp giao thoa (INSAR) .......................................... 19
1.3. Tổng quan về mô hình số độ cao toàn cầu và một số công trình nghiên cứu mô
hình số độ cao toàn cầu tại Việt Nam..................................................................... 20
1.3.1. Tổng quan về mô hình số độ cao toàn cầu.................................................... 20
1.3.2. Một số công trình nghiên cứu mô hình số độ cao toàn cầu tại Việt Nam ...... 27
1.4. Vấn đề nghiên cứu của Luận văn .................................................................... 32

CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ KHẢO SÁT ............................... 33
ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA MÔ HÌNH SỐ ĐỘ CAO .................................... 33
2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của mô hình số độ cao ...................... 33
2.2. Một số phương pháp ước tính độ chính xác của mô hình số độ cao ................. 34


2.3. Cơ sở khoa học đánh giá độ chính xác mô hình số độ cao theo chỉ tiêu độ chính
xác điểm độ cao ..................................................................................................... 37

CHƢƠNG 3: THỰC NGHIỆM KHẢO SÁT ĐỘ CHÍNH XÁC MÔ
HÌNH SỐ ĐỘ CAO SRTM TRÊN PHẠM VI LÃNH THỔ VIỆT NAM 40
3.1. Khái quát chung về khu vực nghiên cứu và nguồn số liệu ............................... 40
3.1.2. Vùng Bắc Trung Bộ ..................................................................................... 42
3.1.3. Vùng Nam Trung Bộ .................................................................................... 42
3.1.4. Vùng Nam Bộ............................................................................................... 43
3.1.5. Khái quát ngu n số liệu đầu vào .................................................................. 44
3.2. Khảo sát độ lớn, độ chính xác của độ cao theo mô hình SRTM trên phạm vi
lãnh thổ Việt Nam. ................................................................................................ 47
3.2.1. Đ ng nh t tọa độ và độ cao của các điểm kiểm tra với hệ tọa độ và hệ độ cao
của mô hình số độ cao toàn cầu. ............................................................................ 48
3.2.2. Xây dựng mô hình số độ cao cục bộ từ số liệu tọa độ và độ cao của các điểm
kiểm tra ................................................................................................................. 53
3.2.3. Xây dựng mô hình độ chênh độ cao giữa mô hình số độ cao toàn cầu và mô
hình số độ cao cục bộ ............................................................................................ 54
3.3. Tổng hợp, đánh giá kết quả khảo sát trên 3 mô hình SRTM1, SRTM3,
SRTM30................................................................................................................ 56
3.3.1. Kết quả khảo sát tính độ lệch giữa các điểm độ cao kiểm tra với các điểm độ
cao trên mô hình độ cao SRTM1, SRTM3, SRTM30 .............................................. 56
3.3.2. Đánh giá độ chính xác các vùng .................................................................. 57
3.3.4. Biểu đ thống kê % số điểm c độ lệch lớn hơn 3 lần sai số trung phương bản
đ tỷ lệ 1/50000 . ................................................................................................... 60
3.3.5. Biểu đ thống kê % số điểm c độ lệch lớn hơn 2 lần và 3 lần sai số trung
phương bản đ tỷ lệ 1/10000 vùng Bắc Trung bộ. .............................................. 61

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................... 67
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................... 65
PHỤ LỤC ................................................................................................... 67

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Thông tin về các mảnh trong mô hình GTOPO30 .................................. 21
Bảng 1.2. Thông tin về các mảnh trong mô hình SRTM30 .................................... 25
Bảng 3.1: Bảng chỉ tiêu kỹ thuật về xử lý lưới GNSS ............................................ 45
Bảng 3.3. Giá trị trung bình độ lệch và giá trị trung bình trị tuyệt đối độ lệch độ cao
giữa độ cao mô hình và độ cao bản đồ ................................................................... 56
Bảng 3.4. Thống kê tổng số điểm lớn 2 lần sai sô trung phương: ........................... 59
Bảng 3.5. Thống kê tổng số điểm lớn 3 lần sai sô trung phương: ........................... 60
Bảng 3.6. Thống kê % số điểm lớn hơn 2 lần, 3 lần sai số trung phương ............... 66


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Mô hình số độ cao biểu diễn bề mặt địa hình............................................ 6
Hình 1.2. Cấu trúc dữ liệu dạng Raster .................................................................... 8
Mô hình DEM dạng Raster được biểu diễn trong hình 1.3. ...................................... 8
Hình 1.3. Mô hình DEM dạng Raster ...................................................................... 9
Hình 1.5. Biểu diễn mô hình DEM dạng TIN ........................................................ 10
Mô hình số độ cao dạng TIN có những đặc điểm sau: ............................................ 10
Hình 1.6. Nguyên lý của công nghệ LIDAR .......................................................... 18
Hình 2.1. Thống kê kết quả thử nghiệm ước tính độ chính xác của ........................ 37
MHSĐC thành lập bằng công nghệ LIDAR. .......................................................... 37
Hình 3.1. Quá trình thực hiện đánh giá độ chính xác của ....................................... 47
mô hình số độ cao toàn cầu SRTM ........................................................................ 47
Hình 3.2 Điểm độ cao vùng Bắc bộ ...................................................................... 48
Hình 3.3 Điểm độ cao ........................................................................................... 49
vùng Bắc Trung Bộ ............................................................................................... 49
Hình 3.4 - Điểm độ cao ......................................................................................... 49
vùng Nam Trung Bộ .............................................................................................. 49
Hình 3.5 - Điểm độ cao vùng Nam bộ ................................................................... 49
Hình 3.6 - Định dạng số liệu đầu vào trên B,L Trans ............................................. 50

Hình 3.7 - Định dạng kết quả đầu ra trên B,L Trans............................................... 50
Hình 3.8 - Định dạng số liệu đầu vào trên Trans .................................................... 51
Hình 3.9 - Định dạng kết quả đầu ra trên Trans ..................................................... 51
Hình 3.10 - Định dạng số liệu đầu vào trên AllTrans ............................................. 52
Hình 3.11 - Định dạng kết quả đầu ra trên AllTrans............................................... 52
Hình 3.12 - Giá trị đưa vào khảo sát ...................................................................... 53
Hình 3.13. Mô hình số độ cao cục bộ..................................................................... 54
từ số liệu tọa độ và độ cao của các điểm kiểm tra .................................................. 54
Hình 3.14: Mô hình số độ cao toàn cầu SRTM1 vùng Bắc bộ ................................ 54
Hình 3.15. Mô hình độ chênh độ cao giữa ............................................................. 55
mô hình số độ cao toàn cầu và mô hình số độ cao cục bộ ...................................... 55
Hình 3.16 Kết quả tính toán trên phần mềm AGis................................................. 55


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

STT Viết tắt

Thuật ngữ tiếng Anh

Thuật ngữ tiếng Việt

1

MHSĐC

Mô hình số độ cao

2

DEM

Digital Elevation Model

Mô hình số độ cao

3

DTM

Digital Terrain Model

Mô hình số địa hình

4

DSM

Digital Surface Model

Mô hình số bề mặt

5

TIN

Triangle Irregular Network

6

SRTM

Shuttle Radar Topography Mission

7

ASTER

Advanced Spaceborne Thermal
Mô hình số độ cao toàn cầu
Emission
and
Reflection
Aster
Radiometer

8

GNSS

Global Navigation Satellite System

9

DGPS

Differential
Systems

10

GIS

Geographic Information System

Hệ thống thông tin địa lý

11

INS

Inertial Navigation System

Hệ thống dẫn đường quán tính

12

NSDI

National Spatial Data Infrastructure

Cơ sở hạ tầng dữ liệu không
gian quốc gia

13

LIDAR

Light Detection And Ranging

Công nghệ đo Laser

14

INSAR

Interferometric Synthetic Aperture
Radar độ mở tổng hợp giao
Radar
thoa

Global

Cấu trúc mạng tam giác không
đều của mô hình số độ cao
Mô hình số độ cao toàn cầu
SRTM

Hệ thống định vị dẫn đường
toàn cầu

Positioning Hệ thống Định vị Toàn cầu vi
sai


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Mô hình số độ cao (MHSĐC) là sản phẩm của sự phát triển về khoa
học công nghệ được tạo nên từ dữ liệu độ cao địa hình. Được ra đời từ những
năm 1950, MHSĐC ngày càng có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác

nhau như: đo đạc bản đồ, địa lý, xây dựng, giao thông, thủy lợi, nông nghiệp,
lâm nghiệp, môi trường, viễn thông, quân sự,... Do có nhiều ứng dụng và có
nhiều sản phẩm phong phú, đa dạng nên MHSĐC đã được khẳng định là một
thành phần quan trọng của hạ tầng dữ liệu không gian.
Ngày nay, cùng với các công nghệ thành lập bản đồ hiện đại như: công
nghệ ảnh số, công nghệ định vị dẫn đường toàn cầu (GNSS), công nghệ viễn
thám (RS), hệ thống thông tin địa lý (GIS),..., MHSĐC đã được ứng dụng khá
rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của Bộ Tài nguyên và Môi trường. MHSĐC
cũng đã trở thành một phần thiết yếu của GIS và đặc biệt là của cơ sở hạ tầng
dữ liệu không gian quốc gia (NSDI) tại nhiều quốc gia phát triển.
Ở nước ta hiện nay, MHSĐC được thành lập thường xuyên nhưng mới
chỉ được coi là một công đoạn trong đo vẽ thành lập bản đồ chứ chưa được
coi là một sản phẩm chính, mang tính độc lập. Trong tương lai, nhu cầu sử
dụng sản phẩm MHSĐC cho nhiều mục đích khác nhau sẽ ngày càng tăng và
đáp ứng yêu cầu của nhiều người sử dụng. Vì vậy, cần có sự quan tâm đúng
mức đến vấn đề kiểm tra chất lượng (kiểm tra độ chính xác) của MHSĐC mà
cho đến nay chưa có nhiều công trình nghiên cứu về vấn đề này. Trong các
công trình nghiên cứu trước đó, cơ sở phương pháp luận được trình bày khá
khái quát và nguồn số liệu dùng để kiểm chứng MHSĐC còn khá hạn chế.
Do đó, học viên đã lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu giải pháp đánh giá độ chính
xác mô hình số độ cao toàn cầu”.

1


2. Mục tiêu, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu của Luận văn là khảo sát độ chính xác mô hình số
độ cao toàn cầu SRTM (Shuttle Radar Topography Mission) trên phạm vi
lãnh thổ Việt Nam dựa vào bản đồ địa hình tỷ lệ 1/50000 phủ trùm toàn quốc
và bản đồ địa hình tỷ lệ 1/10000 của một số khu vực của Việt Nam và 7 công

trình đánh đo GNSS - TC tương đương lưới khống chế hạng IV, đã được
nghiệm thu trong sản xuất.
3. Nội dung nghiên cứu
Từ mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu đề ra, Luận văn tập
trung vào ba nội dung nghiên cứu chính sau đây:
- Tổng quan về MHSĐC.
- Cơ sở lý thuyết về khảo sát độ chính xác MHSĐC.
- Thực nghiệm khảo sát MHSĐC.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
Từ nội dung nghiên cứu, các phương pháp nghiên cứu bao gồm:
Phương pháp thu thập tài liệu, số liệu: Học viên tiến hành xin phép đơn
vị chủ quản để đực thu thập bản đồ địa hình tỷ lệ 1/50000 phủ trùm toàn quốc,
tỷ lệ 1/10000 ở một số khu vực và các tài liệu chuyên môn; cập nhật các
thông tin trên mạng Internet từ trang mạng chính thống; các số liệu tọa độ
GNSS, độ cao thủy chuẩn có đủ độ chính xác tin cậy phục vụ cho nghiên cứu.
Phương pháp phân tích: Cơ sở khoa học xây dựng MHSĐC; các
phương pháp xây dựng và nguồn dữ liệu đầu vào; các tiêu chí đánh giá độ
chính xác MHSĐC;
Phương pháp thực nghiệm: Tính độ chênh lệch độ cao tính từ MHSĐC
SRTM có độ phân giải khác nhau 30 m, 90 m, 900 m với độ cao tính ra từ bản
đồ địa hình tỷ lệ 1/50000, tỷ lệ 1/10000. Từ đó tính giá trị trung bình độ lệch,
giá trị trung bình trị tuyệt đối độ lệch và sai số trung phương độ chênh độ cao.

2


Luận văn đầy đủ ở file: Luận văn Full