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

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


Từ đó đưa ra kết luận đánh giá sự phù hợp MHSĐC theo vùng hay theo toàn
lãnh thổ Việt Nam.
Phương pháp tổng hợp: Tập hợp các kết quả nghiên cứu, chọn lọc các kết
quả nổi bật để tiến hành đánh giá, phân tích, làm sáng tỏ kết quả nghiên cứu, đưa

ra các kết luận chính xác.
Phương pháp so sánh: So sánh kết quả đánh giá sự phù hợp của mô
hình SRTM với các độ phân giải khác nhau theo vùng khác nhau và cho toàn
lãnh thổ Việt Nam. Đưa ra phân tích, lý giải vai trò của từng tác nhân đến kết
quả đánh giá MHSĐC.
5. Cấu trúc của luận văn
Chương 1. Tổng quan về mô hình số độ cao
1.1. Khái niệm và phân loại mô hình số độ cao
1.2. Nguồn số liệu xây dựng mô hình số độ cao
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
1.4. Vấn đề nghiên cứu của luận văn
Chương 2. Cơ sở lý thuyết về khảo sát độ chính xác của mô hình số độ cao
2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của mô hình số độ cao
2.2. Ước tính độ chính xác của mô hình số độ cao
2.3. Cơ sở khoa học đánh giá độ chính xác mô hình số độ cao
Chưng 3. Thực nghiệm khảo sát độ chính xác mô hình số độ cao SRTM trên
phạm vi lãnh thổ Việt Nam
3.1. Khái quát chung về khu vực nghiên cứu và nguồn số liệu
3.2. Khảo sát độ lớn, độ chính xác của độ cao theo mô hình SRTM trên phạm
vi lãnh thổ Việt Nam
3.3 Tổng hợp, đánh giá kết quả khảo sát
3


6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Ý nghĩa khoa học: Luận văn đã đề xuất phương pháp kiểm tra độ chính
xác theo tiêu chí giá trị độ lệch, sai số trung bình, sai số trung phương
MHSĐC để đưa ra các khuyến cáo, đảm bảo đánh giá được độ chính xác
MHSĐC toàn cầu trên lãnh thổ Việt Nam.

Ý nghĩa thực tiễn: Cung cấp thêm thông tin về độ chính xác của
MHSĐC toàn cầu tại Việt nam, giúp người sử dụng dễ dàng ra quyết định lựa
chọn khi giải quyết các nhiệm vụ liên quan đến số liệu độ cao địa hình và ứng
dụng MHSĐC toàn cầu.

4


7. Lời cảm ơn
Tác giả chân thành cảm ơn sự hỗ trợ nghiên cứu của Đề tài cấp Bộ Tài
nguyên và Môi trường: “Nghiên cứu xác lập cơ sở khoa học để xây dựng mô
hình Geoid trên vùng biển của Việt Nam; thử nghiệm cho một vùng điển
hình”, mã số TNMT.2019.07.08.
Trong quá trình thực hiện đề tài và hoàn thành luận văn, tác giả đã nhận
được sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy, cô giáo trong Khoa Trắc địa, Bản đồ
và Thông tin địa lý - trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội cùng
sự giúp đỡ của các nhà khoa học, bạn bè đồng nghiệp tại Cục Bản đồ, Bộ
Tổng tham mưu, đặc biệt là TS. Nguyễn Xuân Bắc - Phó trưởng bộ môn, phụ
trách bộ môn Trắc địa cơ sở. Xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới các tập
thể và cá nhân đã giúp đỡ tác giả hoàn thành bản Luận văn này.
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2019

Tác giả luận văn

5

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH SỐ ĐỘ CAO
1.1. Khái niệm và phân loại mô hình số độ cao
1.1.1. Khái niệm mô hình số độ cao
Mô hình số độ cao (Digital Elevation Model) là mô hình biểu diễn bề
mặt địa hình trong không gian 3 chiều (3D), theo đó mọi vị trí ở trên mặt đất
đều được gắn với giá trị (X,Y,h).
Một cách khái quát mô hình số độ cao (MHSĐC) được định nghĩa là mô
hình mô tả bề mặt địa hình bởi các điểm có toạ độ X, Y, H thoả mãn một hàm
đơn trị H = f(X, Y) (1.1). Với bất cứ một vị trí (X, Y), chỉ có một giá trị độ cao
H được xác định trong một MHSĐC. Hay MHSĐC là mô hình số khái quát
và biểu diễn bề mặt địa hình trong không gian 3 chiều.

Hình 1.1. Mô hình số độ cao biểu diễn bề mặt địa hình.
Dưới góc độ toán học MHSĐC được định nghĩa là một dãy hữu hạn các
vectơ 3 chiều của địa hình trên miền D: Vi =(Xi, Yi, Hi), i = 1,2,....,n (1.2),
trong đó (Xi, Yi) là toạ độ mặt phẳng, Hi là độ cao của điểm (Xi, Yi) [12]. Khi
hình chiếu trên mặt phẳng của các vectơ trong dãy được sắp xếp thành một
lưới có quy tắc thì các toạ độ mặt bằng (Xi, Yi) có thể giản lược, lúc đó
MHSĐC trở thành dãy vectơ một chiều (Hi, i =1,2,...,n) [5].
MHSĐC mô tả bằng phương pháp số bề mặt Trái đất thông qua các
điểm và đường. Thông thường, bề mặt được biểu diễn bằng các điểm phân bố
6


đều hoặc không đều. Nếu bề mặt này được hoàn thiện thêm bằng các yếu tố
đặc trưng của địa hình (các điểm ghi chú độ cao và các đường đứt gãy) thì gọi
là mô hình số địa hình.
MHSĐC có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khoa học, công nghệ,
thương mại, dịch vụ, an ninh, quốc phòng,... có liên quan đến dữ liệu địa lý

[3, 7, 15]. Ví dụ như:
- Trong chiết xuất các thông tin về địa hình: độ dốc, hướng dốc, độ lồi

lõm của sườn dốc, độ dài sườn dốc, độ cong, hướng chảy cục bộ, chỉ số địa
hình, chỉ số năng lượng dòng chảy, chỉ số vận chuyển trầm tích, tầm nhìn,...
- Trong đo vẽ ảnh hàng không và viễn thám: nắn chỉnh ảnh nhằm loại bỏ

các sai số gây ra do nguyên lý hình học của máy chụp và chênh cao địa hình.
- Trong địa vật lý: cải thiện chất lượng của dữ liệu trọng lực bằng cách

cung cấp các dữ liệu cơ bản cho việc tự động hiệu chỉnh địa hình của các
thông tin trọng lực, nghiên cứu, khảo sát ảnh hưởng của địa hình lên mô hình Geoid.
- Trong xây dựng: tính toán khối lượng đào đắp, bố trí công trình,...
- Trong viễn thông: tính toán vùng phủ sóng, lựa chọn vị trí thu phát sóng.
- Trong hàng không: hệ thống phòng tránh các va chạm hàng không,

cảnh báo tiếp cận sân bay và quản lý các chuyến bay, mô phỏng địa hình dùng
trong việc huấn luyện phi công.
- Trong địa chất: cung cấp thông tin về địa hình phục vụ tìm kiếm

khoáng sản, phân tích địa mạo khu vực;
- Trong khai thác mỏ: thiết kế công trình khai thác, tính toán sự dịch

chuyển của mặt đất do các công trình khai thác gây ra.
- Trong du lịch: giới thiệu, quảng bá về các địa điểm du lịch, tổ chức

các chuyến tham quan ảo.
- Trong an ninh, quốc phòng: xây dựng mô hình thực địa phục vụ tác

chiến, phân tích địa hình cho các hoạt động của chiến trường như: phân tích

7


tầm nhìn và khả năng cơ động của các trang thiết bị cơ giới, phục vụ dẫn
đường cho tên lửa, thiết kế mạng thông tin liên lạc, thành lập công cụ hiển thị
hình ảnh động trong các mô hình mô phỏng tác chiến phục vụ công tác huấn luyện.
- Trong quản lý và sử dụng đất: đánh giá phân hạng thích nghi đất đai,

đánh giá mức độ xói mòn đất, cung cấp dữ liệu địa hình cơ bản để giải các bài
toán quy hoạch sử dụng đất.
- Trong thủy văn: dự báo dòng chảy, tính toán lưu vực.
- Trong phòng chống thiên tai: Dự báo lũ lụt và đánh giá tác động của

chúng, dự báo ảnh hưởng của sóng thần, thiết kế các công trình phòng chống
thiên tai,...
- Trong sinh học: làm tư liệu phục vụ đánh giá mức độ đa dạng và thích

nghi sinh học.
1.1.2. Phân loại mô hình số độ cao
Dựa vào kiểu số liệu, DEM được chia làm hai loại: DEM dạng Raster
và DEM dạng Vector.
* DEM dạng Raster
Trong mô hình Raster DEM: ma trận các ô vuông gồm các hàng và cột
như hình 1.2. Mỗi một ô (cell) chứa giá trị độ cao của điểm trung tâm của ô.

Hình 1.2. Cấu trúc dữ liệu dạng Raster
Mô hình DEM dạng Raster được biểu diễn trong hình 1.3.
8

Hình 1.3. Mô hình DEM dạng Raster
* DEM dạng Vector
Trong cấu trúc Vector, DEM có thể được coi như là một tấm lưới tam
giác không đều (Triangle Irregular Nework - TIN) [1]. TIN là tập hợp các
đỉnh nối với nhau thành các tam giác, mỗi tam giác được giới hạn bởi 3 điểm
xác định về giá trị x, y và z ( độ cao) như hình 1.4.

Hình 1.4. Cấu trúc dữ liệu dạng véc tơ.
9


* DEM dạng TIN
Mô hình DEM dạng TIN được biểu diễn trong hình 1.5:

Hình 1.5. Biểu diễn mô hình DEM dạng TIN
Mô hình số độ cao dạng TIN có những đặc điểm sau:
-

Mô hình TIN biểu diễn một bề mặt liên tục từ những tập hợp điểm rời

rạc phân bố bất kì.
-

TIN: gồm tập hợp các điểm nối với nhau thành những tam giác - tạo

nên bề mặt ba chiều.
-

Một điểm bất kì thuộc vùng biểu diễn sẽ nằm trên đỉnh, cạnh hoặc

trong một tam giác của lưới tam giác. Nếu một điểm không phải là đỉnh thì
giá trị hình chiếu của nó có được từ phép nội suy tuyến tính (của hai điểm
khác nếu điểm này nằm trên cạnh hoặc của ba điểm nếu điểm này nằm trong
tam giác). Mô hình TIN là mô hình tuyến tính trong không gian 3 chiều.
-

Mô hình TIN hiệu quả trong xây dựng bề mặt. Mật độ của điểm trên bề

mặt tỷ lệ với độ biến đổi của địa hình. Những bề mặt phẳng tương ứng với
mật độ điểm thấp và những địa hình đồi núi có mật độ điểm cao.

10


1.2. Nguồn số liệu xây dựng mô hình số độ cao
Hiện nay MHSĐC gồm các phương pháp xây dựng cơ bản sau đây:
phương pháp đo đạc thực địa, phương pháp đo vẽ ảnh (đo vẽ ảnh giải tích và
ảnh số, dữ liệu ảnh có thể là ảnh hàng không hay ảnh vệ tinh), phương pháp
nội suy từ các đường đồng mức và các yếu tố khác được số hóa trên bản đồ có
sẵn, phương pháp ứng dụng công dụng công nghệ laser và phương pháp ứng
dụng radar độ mở tổng hợp giao thoa [1]. Các phương pháp này khác nhau ở
nguồn dữ liệu đầu vào, thiết bị máy móc sử dụng, giá thành, độ chính xác,
phạm vi và khả năng ứng dụng... Việc thành lập mô hình số độ cao dù tiến
hành theo phương pháp nào cũng bao gồm hai công đoạn là thu thập các trị đo
và tạo MHSĐC từ các trị đo này thông qua tính toán nội suy. Hai phần này
tuy thường được thực hiện một cách riêng biệt nhưng có mối liên hệ qua lại
mật thiết với nhau. Phần thu thập các trị đo còn gọi là quá trình lấy mẫu tạo MHSĐC.
Hiện nay hầu hết MHSĐC được tạo từ năm nguồn dữ liệu: đo đạc thực
địa, đo vẽ ảnh hàng không và ảnh vũ trụ (theo các phương pháp thủ công, bán
tự động và tự động), số hóa trên bản đồ đã có sẵn, từ các dữ liệu đo radar độ

mở tổng hợp giao thoa và đo laser đặt trên máy bay [1]. Ngoài ra, mô hình số
độ cao các vùng ngập nước và bán ngập nước còn được thành lập từ nguồn dữ
liệu đo sâu hồi âm.
1.2.1. Thu thập số liệu xây dựng mô hình số độ cao bằng phương pháp đo
đạc ngoài thực địa
Trong phương pháp này, để đo tọa độ và độ cao của các điểm địa hình
có thể sử dụng máy toàn đạc hoặc máy thu GNSS. Các điểm đo chi tiết là
điểm đặc trưng của địa hình. Phương pháp này cho MHSĐC có độ chính xác
rất cao, có thể đạt tới vài cm. Tuy nhiên, nhược điểm lớn của phương pháp là
mất thời gian và tốn kém kinh phí nên chỉ áp dụng trong phạm vi nhỏ hoặc
vùng có địa hình đặc biệt phức tạp, yêu cầu độ chính xác cao [1].
Độ chính xác của MHSĐC thành lập bằng phương pháp phụ thuộc
11


vào phương pháp, quy trình đo, máy móc đo đạc, thuật toán nội suy và mật
độ điểm đo.
1.2.2. Thu thập nguồn số liệu xây dựng mô hình số độ cao bằng đo nh
Phương pháp đo ảnh khắc phục được các nhược điểm của phương pháp
đo đạc trực tiếp. Đây là phương pháp được dùng phổ biến hiện nay ở Việt
Nam. MHSĐC có thể được thành lập theo nhiều quy trình khác nhau. Nguồn
ảnh có thể ở dạng tương tự hoặc ảnh số.
Trong phương pháp này, công tác lấy mẫu địa hình có thể được thực
hiện một cách thủ công, bán tự động hay tự động. Theo phương thức thủ công,
toàn bộ số liệu tọa độ X, Y và độ cao Z của các điểm địa hình đều do người
thao tác trực tiếp đo, theo phương thức bán tự động thì người thao tác có
nhiệm vụ đo độ cao Z của điểm địa hình còn tọa độ mặt phẳng X, Y do máy
tính điều khiển tự động. Theo phương thức tự động thì toàn bộ quá trình đo
lập thể đều do máy tính thực hiện [1].
Cách đo thủ công truyền thống cho kết quả có độ chính xác và độ tin

cậy cao nhưng chậm và hiệu quả kinh tế thấp, đặc biệt là ở các khu vực đo
lớn. Cách đo tự động thường nhanh và rẻ nhưng lại thường cho kết quả sai tại
các vùng có địa hình phức tạp, chẳng hạn vùng đô thị, vùng rừng, hay các
vùng ít địa vật như bãi cỏ, bãi cát lớn, mặt nước lớn. Thực tế cho thấy độ
chính xác và độ tin cậy của khớp ảnh tự động thấp hơn nhiều so với đo thủ
công. Khớp ảnh tự động thường có các sai số hệ thống làm cho các điểm độ
cao được khớp tự động thường nằm cao hơn bề mặt đất, nhất là đối với vùng
địa hình có độ dốc lớn và có nhiều đối tượng nằm cao hơn bề mặt đất. Do đó,
sau khi đo tự động MHSĐC hầu như luôn phải chỉnh sửa thủ công. Trong một
số hệ thống đo vẽ ảnh số người thao tác có thể xác định trước các vùng mà tại
đó khớp ảnh tự động không cho kết quả chính xác, phần mềm khớp ảnh sẽ bỏ
qua các vùng này để người thao tác tự đo thủ công.
Các phương pháp lấy mẫu gồm có:
12


- Phương pháp lấy mẫu theo lưới quy chuẩn (lưới đều)
Số liệu địa hình được xác định trên mô hình lập thể theo một lưới quy
chuẩn. Phương pháp này đơn giản, có độ chính xác và hiệu suất công tác
tương đối cao nhưng không thể hiện được các điểm đặc trưng địa hình
- Phương pháp lấy mẫu nhích dần
Theo phương pháp lấy mẫu nhích dần, mật độ các điểm lấy mẫu được
làm thích ứng với độ phức tạp của bề mặt địa hình. Việc lấy mẫu và phân tích
kết quả lấy mẫu luôn đi đôi với nhau. Đầu tiên, mẫu được lấy với mật độ thưa
sau đó tăng dần. Mật độ của các điểm lấy mẫu thường tăng gấp đôi sau mỗi
bước. Kết quả của việc phân tích sau mỗi bước sẽ quyết định bước lấy mẫu
tiếp theo. Phương thức này cũng có thể được tự động hóa.
Phương pháp lấy mẫu nhích dần thường được áp dụng khi trên ảnh
không có các vùng bị mây che hoặc các địa vật nhân tạo. Phương thức này đòi
hỏi ít điểm phải đo hơn so với phương thức lấy mẫu theo quy chuẩn mà vẫn

có thể tạo ra MHSĐC có độ chính xác cao hơn. Tuy nhiên do khi tăng dày
lưới vẫn phải áp dụng dạng lưới đều nên vẫn đòi hỏi phải có nhiều điểm thể
hiện chính xác các đặc trưng của địa hình.
Phương pháp này xác định mật độ điểm lấy mẫu tương đối hợp lý, phù
hợp với thực tế địa hình nhưng phải tiến hành nhiều lần tính và đối sánh.
Bênh cạnh đó, lưu trữ và quản lý số liệu cũng phức tạp hơn so với phương
thức lấy mẫu theo lưới quy chuẩn.
- Phương pháp lấy mẫu lựa chọn đặc trưng địa hình
Tại các vùng có địa hình phức tạp, người đo phải lựa chọn và đo đạc
(lấy số liệu) các điểm đặc trưng địa hình để thu nhận các thông tin miêu tả sự
thay đổi đột ngột của địa hình. Phương pháp lấy mẫu này gọi là lấy mẫu lựa
chọn. Các đặc trưng địa hình được chọn để lấy mẫu bao gồm: đường sống núi,
đường tụ thủy, điểm đỉnh núi, điểm yên ngựa, đường đứt gãy... Phương pháp
13


lấy mẫu này phù hợp với việc xây dựng mô hình số độ cao theo lưới tam giác
TIN. Tuy nhiên công việc xử lý và lưu trữ số liệu cũng tương đối phức tạp.
- Phương pháp lấy mẫu hỗn hợp
Đây là phương pháp kết hợp lấy mẫu nhích dần và lấy mẫu lựa chọn
đặc trưng địa hình. Phương pháp lấy mẫu lựa chọn dùng để thu nhận các
thông tin miêu tả sự thay đổi đột ngột của địa hình; lấy mẫu nhích dần dùng
để thu nhận số liệu của phần còn lại của địa hình. So với phương pháp lấy
mẫu lựa chọn, khối lượng tăng dày điểm trong phương pháp lấy mẫu nhích
dần được giảm đến mức tối thiểu và sự không liên tục hay gián đoạn của địa
hình vẫn được thể hiện chính xác nhờ phương thức lấy mẫu lựa chọn. Phương
pháp lấy mẫu hỗn hợp cho phép xác định số liệu địa hình với độ chính xác
cao. Tuy nhiên do việc lấy mẫu các đặc trưng địa hình theo phương thức này
đòi hỏi phải có sự can thiệp của người thao tác nên phương pháp lấy mẫu hỗn
hợp chỉ có thể được tự động hóa một phần.

- Phương pháp lấy mẫu bằng hệ thống tự động hóa
Theo phương pháp này việc lấy mẫu được tiến hành theo lưới quy
chuẩn thông qua kỹ thuật khớp ảnh tự động. Các hệ thống đo ảnh tự động và
bán tự động gồm có phần mềm ISDC và ISMT của hãng Intergraph (Hoa Kỳ),
module ATE trong bộ phần mềm SOCET SET của LH Systems (HoaKỳ),
PHODIS TS của hãng Zeiss (Đức), IMAGINE OrthoMAX của ERDAS ...
Độ chính xác của MHSĐC thành lập theo phương pháp đo vẽ ảnh phụ
thuộc vào chất lượng, tỷ lệ và độ phân giải của ảnh, độ cao bay chụp, tỷ số
giữa đường đáy và độ cao bay chụp, độ chính xác của các máy đo vẽ, độ
chính xác tăng dày khối ảnh, tính chất hình học của mô hình lập thể, độ chính
xác và mức độ chi tiết của các yếu tố đặc trưng địa hình, mật độ và phân bố
của các điểm được lấy mẫu.
Ngoài các phương pháp lấy mẫu trên đây còn có phương pháp lấy mẫu
theo đường đồng mức và phương pháp lấy mẫu theo mặt quét.
14


1.2.3. Thu thập số liệu xây dựng mô hình số độ cao bằng cách số h a b n
đồ địa hình c sẵn
Trong phương pháp này, dữ liệu đầu vào để thành lập MHSĐC chủ yếu
là các đường đồng mức và các điểm đặc trưng địa hình. Dữ liệu bản đồ gốc ở
dạng giấy được chuyển sang dạng số bằng bàn số hóa hoặc máy quét bản đồ.
Độ chính xác của việc số hóa trên bàn số hóa phụ thuộc vào kinh nghiệm, kỹ
năng và trạng thái tinh thần của người thao tác, do đó độ chính xác có thể
không ổn định, khâu kiểm tra độ chính xác kết quả số hóa cũng khó khăn.
Thêm vào đó, các yếu tố như nhiệt độ và độ ẩm của phòng làm việc có ảnh
hưởng tới độ biến dạng của bản đồ giấy.
Việc số hóa các đường đồng mức trên bản đồ có thể thực hiện theo
phương pháp tự động và bán tự động. Phương pháp số hóa tự động cho độ
chính xác và năng suất cao nhưng đòi hỏi phải có thiết bị quét có độ phân giải

cao, ảnh quét phải sạch, rõ ràng, điều này phụ thuộc nhiều vào chất lượng tài
liệu số hóa và kinh nghiệm quét. Thông thường phải làm sạch hình ảnh trước
khi số hóa.
Phương pháp số hóa bán tự động cũng cho độ chính xác và năng suất
khá cao. Đặc biệt là việc số hóa đơn giản hơn và khâu kiểm tra trên máy tính
cũng thuận tiện hơn phương pháp dùng bàn số hóa.
Sau khi đường đồng mức và các đặc trưng địa hình được chuyển sang
dạng véc tơ thì có thể sử dụng vào việc xây dựng MHSĐC. Các đường đồng
mức phải được gộp sau đó được gán độ cao trước khi đưa vào xây dựng
MHSĐC. Các đặc trưng địa hình như điểm ghi chú độ cao, độ cao của các điểm
trên đường tụ thủy, đường sống núi, các đường đứt gãy đều đưa vào tham gia
xây dựng MHSĐC vì dữ liệu của đường đồng mức thường không giúp tạo
được MHSĐC có chất lượng cao, trừ khi được bổ sung thêm điểm đặc trưng
địa hình và các đường đứt gãy. Nếu có sẵn bản đồ dưới dạng số thì có thể nhập
lớp đường đồng mức với các yếu tố đặc trưng của địa hình và các điểm ghi chú
15