Ứng dụng công nghệ lidar trong công tác xây dựng cơ sở dữ liệu nền thông tin địa lý (thử nghiệm tại thị xã sông công, tỉnh thái nguyên)
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.85 MB, 102 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐỊA CHẤT
NGUYỄN ĐĂNG AN
ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ LIDAR TRONG CÔNG TÁC
XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU NỀN THÔNG TIN ĐỊA LÝ
(THỬ NGHIỆM TẠI THỊ XÃ SÔNG CÔNG,
TỈNH THÁI NGUYÊN)
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Hà Nội - 2014
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐỊA CHẤT
NGUYỄN ĐĂNG AN
ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ LIDAR TRONG CÔNG TÁC
XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU NỀN THÔNG TIN ĐỊA LÝ
(THỬ NGHIỆM TẠI THỊ XÃ SÔNG CÔNG,
TỈNH THÁI NGUYÊN)
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGÀNH: BẢN ĐỒ VIỄN THÁM VÀ
HỆ THÔNG TIN ĐỊA LÝ
MÃ SỐ: 60440214
Ng-êi h-íng dÉn khoa häc
TS. CÁP XUÂN TÚ
Hà Nội - 2014
1
LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan, đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả
nghiên cứu và thực nghiệm đưa ra trong luận văn là hoàn toàn trung thực, chưa
được ai cơng bố trong cơng trình nào.
Hà Nội, ngày … tháng … năm 2014
Tác giả luận văn
Nguyễn Đăng An
2
MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa
Lời cam đoan ……………………………………………………………….....
1
Mục lục …………………………………………….………………………….
2
Danh mục các ký hiệu viết tắt …………………….…………………………...
3
Danh mục các bảng biểu ………………………….…………………………...
8
Danh mục các hình vẽ ………………………….……………………………...
9
Mở đầu …………………………………………….…………………………..
10
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CƠ SỞ DỮ LIỆU NỀN THÔNG TIN ĐỊA LÝ
14
1.1. Khái niệm về cơ sở dữ liệu (CSDL) nền thông tin địa lý …………..….
14
1.1.1. Khái niệm chung về CSDL …………………………………………….
14
1.1.2. Đặc điểm của cơ sở dữ liệu hệ thông tin địa lý ......................................
15
1.1.3. Nội dung cơ bản CSDL nền thơng tin địa lý ……………..…………..
16
1.1.3.1. Nhóm lớp cơ sở tốn học: …………………………………………….
16
1.1.3.2. Nhóm lớp ranh giới, địa giới: ………………………………………...
17
1.1.3.3. Nhóm lớp địa hình: …………………………………………………...
17
1.1.3.4. Nhóm lớp thuỷ hệ: …………………………………………………….
17
1.1.3.5. Nhóm lớp giao thơng: ………………………………………………...
18
1.1.3.6. Nhóm lớp xây dựng, cơ sở hạ tầng: …………………………………..
18
1.1.3.7. Nhóm lớp thực vật, phủ bề mặt: ………………………………………
19
1.1.4. Phương pháp xây dựng CSDL nền thông tin địa lý …….…………….
19
1.1.4.1. Các phương pháp xây dựng CSDL .......................................................
19
1.1.4.2. Phương pháp xây dựng CSDL nền thông tin địa lý ………………….
20
1.1.5. Nguồn dữ liệu để xây dựng dữ liệu địa lý …………………………….
20
1.1.6. Chuẩn thông tin địa lý quốc gia .............................................................
21
CHƯƠNG 2: ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ LIDAR TRONG CÔNG TÁC
XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU NỀN THÔNG TIN ĐỊA LÝ ……………..…
25
2.1. Tổng quan về công nghệ LiDAR ……………………………………….
25
3
2.2. Cơ sở khoa học của công nghệ LiDAR ………………………….……….
27
2.3. Ưu điểm của Lidar ....................................................................................
32
2.4. Khả năng ứng dụng công nghệ LiDAR kết hợp máy ảnh số trong
công tác xây dựng CSDL nền thông tin địa lý ………………………...……
33
2.4.1. Ứng dụng kết quả qt Lidar để thành lập mơ hình số độ cao ……….
33
2.4.1.1. Khái niệm về mơ hình số độ cao, mơ hình số địa hình và mơ hình số
bề mặt: ……………………………………………………………………......
33
2.4.1.2. Độ chính xác của dữ liệu DEM trong cơng nghệ tích hợp LiDAR với
máy ảnh số: ………………………………………...........................………….
34
2.4.2. Kết hợp dữ liệu quét Lidar và chụp ảnh số để thành lập bình đồ trực ảnh
35
2.4.2.1. Khái niệm về bình đồ trực ảnh (orthoimage) …………………………
35
2.4.2.2. Kết hợp dữ liệu quét Lidar và chụp ảnh số để thành lập bình đồ trực
ảnh:….................................................................................................................
37
2.5. Một số ứng dụng khác của công nghệ LiDAR .......................................
38
2.5.1. Thành lập bản đồ địa hình: ....................................................................
38
2.5.2. Thành lập mơ hình 3D, quản lỷ đơ thị: .................................................
39
2.5.3. Quản lỷ biển: ………………………………………………….………..
39
2.5.3.1. Giám sát biến động khu vực ven biên và đường bờ biển: .....................
39
2.5.3.2. Thành lập bản đồ biển: ………………………………………….……
40
2.5.4. Khảo sảt, giảm sảt cơng trình: …………………………….…………..
40
2.5.5. Quản lý rừng: ……………………………………………..……………
40
CHƯƠNG 3: THỬ NGHIỆM XÂY DỰNG CCDL NỀN THÔNG TIN ĐỊA
LÝ TỪ SẢN PHẨM CỦA CÔNG NGHỆ LIDAR KHU VỰC THỊ XÃ
SÔNG CÔNG, TỈNH THÁI NGUYÊN ………………………………………
42
3.1. Khái quát tình hình đặc điểm khu đo ………………….………………
42
3.1.1. Mục đích u cầu và phạm vi nhiệm vụ ……………….………………
42
3.1.1.1 Mục đích yêu cầu: …………………………………………...………...
42
3.1.1.2. Phạm vi nhiệm vụ gồm: ……………………………………………….
42
4
3.1.2. Đặc điểm tự nhiên khu vực..……………………………….…………..
43
3.1.2.1. Vị trí khu vực: …………………………………………………...……
43
3.1.2.2. Đặc điểm địa hình: ……………………………………………………
44
3.1.2.3. Đặc điểm địa vật: ……………………………………………………..
44
3.1.2.4. Hệ thống đường bộ và đường thuỷ: …………………………...……...
45
3.1.3. Dân cư, kinh tế, xã hội ………………………………….……………...
45
3.1.4. Hiện trạng về thông tin tư liệu …………………………...……………
45
3.1.4.1. Hiện trạng về thông tin tư liệu điểm toạ độ, độ cao có trong khu vực: …
45
3.1.4.2. Hiện trạng tư liệu ảnh: ………………………………………………..
46
3.1.4.3. Hiện trạng tư liệu bản đồ địa hình: …………………………...……...
46
3.1.4.4. Hiện trạng tư liệu bản đồ địa chính: ………………………………….
47
3.2. Lựa chọn phương tiện, thiết bị công nghệ sử dụng trong công tác bay
chụp ảnh số và quét LIDAR khu vực TP. Thái Nguyên, TX Sông Công ...
48
3.2.1. Thông số kỹ thuật của hệ thống LiDAR Harrier56/G4 ……………….
48
3.2.2. Thông số kỹ thuật máy chụp ảnh số Rollei AIC ………………………
48
3.3. Thiết kế bay chụp ảnh số, quét LIDAR khu vực TP. Thái Nguyên,
TX Sông Công ..................................................................................................
49
3.3.1. Thiết kế và quy định kỹ thuật đo điểm trạm Base …………………….
49
3.3.2. Thiết kế và quy định kỹ thuật đo bãi hiệu chỉnh mặt phẳng và độ cao ……..
50
3.3.3. Thiết kế và quy định kỹ thuật đo điểm khống chế đo chi tiết bãi hiệu
chỉnh mặt phẳng và độ cao …………………………………………………...
51
3.3.4. Thiết kế và quy định kỹ thuật đo chi tiết điểm hiệu chỉnh mặt phẳng
và độ cao ………………………………………………………………………
51
3.3.5. Thiết kế bay chụp ………………………………………………………
54
3.4. Xây dựng CSDL nền thông tin địa lý 1/5.000 từ sản phẩm quét
LiDAR và chụp ảnh số khu vực TX. Sông Công, tỉnh Thái Nguyên……....
57
3.4.1. Quy trình cơng nghệ tổng qt ………………………………………...
57
3.4.2. Lý lịch tờ bản đồ thực nghiệm khu vực thị xã Sông Công ……………
58
3.4.3. Xử lý dữ liệu bay chụp ảnh số và LiDAR ……………………………..
59
5
3.4.3.1. Xử lý dữ liệu thô, kiểm tra độ gối phủ của dữ liệu: …………………..
59
3.4.3.2. Xử lý số liệu GPS/IMU: ………………………………………………
59
3.4.3.3. Xử lý nguyên tố định hướng ngoài (EO): …………………………….
60
3.4.3.4. Xử lý dữ liệu Laser, tạo DSM/DEM/ảnh cường độ xám: …………….
60
3.4.4. Thành lập mơ hình số độ cao (DEM) và tạo bình đồ trực ảnh (TrueOrtho) ..
61
3.4.4.1. Thành lập mơ hình số độ cao (DEM): ………………………………………..
61
3.4.4.2. Nắn ảnh trực giao chính xác TrueOrthophoto: ……………………...
63
3.4.5. Véc tơ hóa, xây dựng đối tượng địa lý từ các sản phẩm của LiDAR
64
3.4.5.1. Nhóm thuỷ văn: ………………………………………………………
65
3.4.5.2. Nhóm đối tượng hạ tầng dân cư: …………………………………….
68
3.4.5.3. Nhóm đối tượng hạ tầng kỹ thuật và kinh tế - xã hội: ……………….
69
3.4.5.4. Nhóm địa hình: ………………………………………………………
69
3.4.5.5. Nhóm giao thông: ……………………………………………………
70
3.4.6. Điều tra ngoại nghiệp thông tin thuộc tính đối tượng địa lý: ………..
73
3.4.6.1. Khống chế trắc địa: ……………………………………………….....
73
3.4.6.2. Thủy văn: …………………………………………………………….
74
3.4.6.3. Giao thơng: …………………………………………………………..
76
3.4.6.4. Địa hình: ……………………………………………………………..
78
3.4.6.5. Hạ tầng dân cư, hạ tầng kỹ thuật: ……………………………………
79
3.4.6.6. Các đối tượng địa giới hành chính: ………………………………….
81
3.4.6.7. Thực phủ: …………………………………………………………….
83
3.4.6.8. Quy định tiếp biên: ……………………………………………………
85
3.4.6.9. Quy định kỹ thuật đo vẽ bù các đối tượng địa lý sau thời điểm bay
chụp ảnh số và quét LiDAR: …………………………………………………..
85
3.4.7. Chuẩn hoá dữ liệu địa lý gốc: …………………………………………
86
3.4.7.1. Chuẩn hóa các điểm khống chế trắc địa: …………………………….
86
3.4.7.2. Chuẩn hóa các đối tượng biên giới địa giới: …………………………
87
3.4.7.3. Chuẩn hóa các đối tượng hình tuyến (Linestring): …………………..
87
3.4.7.4. Chuẩn hóa các đối tượng dạng vùng: ………………………………..
88
6
3.4.7.5. Chuẩn hóa đối tượng dạng điểm: …………………………………….
90
3.4.7.6. Chuẩn hóa đối tượng có ghi chú dạng text (hoặc TextNode): ………..
90
3.4.7.7. Chuẩn hóa DEM xây dựng sản phẩm DTM theo quy định sản phẩm
giao nộp của dự án: …………………………………………………………...
91
3.4.8. Biên tập bản đồ địa hình tỷ lệ 1/5.000 khu vực khu vực TX. Sông
Công, tỉnh Thái Nguyên………………………………………………..……
91
3.4.9. Thành lập CSDL nền thông tin địa lý 1/5.000 khu vực TX. Sông
Công, tỉnh Thái Nguyên ……………………………………………………...
93
3.4.9.1. Hoàn thiện cơ sở dữ liệu nền địa lý 1/5000: ………………………….
93
3.4.9.2. Xây dựng METADATA: ………………………………………………
94
3.5. Đề xuất các hình thức khai thác cơ sở dữ liệu tại Việt Nam .................
96
3.5.1. Tạo bản đồ dễ dàng, thuận tiện từ CSDL nền thông tin địa lý ……….
96
3.5.2. Cung cấp dữ liệu dưới một số định dạng trao đổi (GML, SHP...) ……
96
3.5.3. Tồng quan các hình thức khai thác CSDL ……………….…………...
97
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ……………………….……………….…….…
98
TÀI LIỆU THAM KHẢO ………………………………………….…………
100
7
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắt
Viết đầy đủ
CSDL
Cơ sở dữ liệu
DEM
Mơ hình số độ cao (Digital Elevation Model)
DTM
Mơ hình số địa hình (Digital Terrain Model)
DSM
Mơ hình số bU mặt (Digital Surface Model)
DGPS
Hệ thống Định vị Toàn cầu vi sai (Differential Global
Positioning System)
METADATA Siêu dữ liệu
MHSĐC
Mơ hình số độ cao
LASER
Light amplication by Stimulated Emission of Radiation
LiDAR
Light Detecting and Ranging
GPS
Hệ thống định vị toàn cầu (Global Positioning System)
INS
Hệ thống đạo hàng quán tính (Inertial Navigation System)
IMU
Định vị quán tính trong (Inertial Measurement Unit)
8
DANH MỤC CÁC BẢNG
Số hiệu bảng
Tên bảng
Trang
Bảng 1.1.
Danh mục các chuẩn xây dựng CSDL
22
Bảng 3.1.
Điểm toạ độ Nhà nước (Điểm tọa độ hạng III)
45
Bảng 3.2.
Tổng hợp chiều dài các đường bay khu TP. Thái Nguyên –
55
TX. Sông Công
Bảng 3.3.
Tổng hợp giờ bay khu TP. Thái Nguyên – TX. Sông Công
56
Bảng 3.4.
Thông số kỹ thuật quét LiDAR tờ bản đồ F-48-68-(11)
58
Bảng 3.5.
Thông số kỹ thuật ảnh tờ bản đồ F-48-68-(11)
59
9
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Số hiệu
hình vẽ
Tên hình vẽ
Trang
Hình 1.1:
Liên kết dữ liệu khơng gian và thuộc tính
16
Hình 2.1:
HƯ thèng LiDAR
26
Hỡnh 2.2:
Nguyên lý làm việc của hệ thống LiDAR
29
Hỡnh 2.3:
Nguyên lý hoạt động của hệ thống LiDAR
30
Hỡnh 3.1:
H thng quột Lidar Harrier56/G4 và máy chụp ảnh số
49
Hình 3.2:
Sơ đồ bố tí trạm Base, điểm bãi hiệu chuẩn, đo nối thủy chuẩn
53
khu bay quét LiDAR TP. Thái Nguyên – TX. Sông Cơng
Hình 3.3:
Thiết kếi các đường bay khu TP. Thái Ngun – TX. Sơng Cơng
54
Hình 3.4:
Sơ đồ quy trình tổng qt
57
Hình 3.5:
Tọa độ góc khung mảnh bản đồ
58
Hình 3.6:
Tạo DEM thành lập mơ hình số địa hình
62
Hình 3.7:
Ảnh khu vực TX. Sơng Cơng dưới dạng *.tif
63
Hình 3.8:
Số hóa các đối tượng vùng
67
Hình 3.9:
Nhóm đối tượng hạ tầng dân cư
68
Hình 3.10:
Trường thuộc tính của lớp đường bình độ
70
Hình 3.11:
Số hóa các đối tượng dạng đường
72
Hình 3.12:
Các trường thuộc tính của địa giới
82
Hình 3.13:
Bảng các trường thuộc tính của lớp thực phủ
84
Hình 3.14:
Bản đồ địa địa hình tờ số F-48-68-(11) trong khu xây
dựng CSDL
92
Hình 3.15:
Cơ sở dữ liệu nền thơng tin địa lý 1/5.000
95
Hình 3.16:
Tạo bản đồ từ Geodatabase
96
Hình 3.17:
Các định dạng dữ liệu trao đổi
96
Hình 3.18:
Khai thác CSDL nền thơng tin địa lý qua WebMap
97
Hình 3.19:
Các hình thức khai thác CSDL nền thông tin địa lý
97
10
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Cơng nghệ LiDAR (Light Detection And Ranging) là hệ thống kết hợp
giữa công nghệ đo dài bằng Laser, công nghệ định vị vệ tinh GPS
(Geographic Inisormation System) và hệ thống đạo hàng quán tính INS
(Inertial Navigation System). Với tốc độ quét nhanh, độ chính xác cao, có
thể xác định chính xác bề mặt của đối tượng cần khảo sát trong không gian
ba chiều, ở nhiều dạng địa hình khó khăn phức tạp mà phương pháp truyền
thống không triển khai được. Trong lĩnh vực quản lý tài nguyên và môi
trường, đặc biệt là trong lĩnh vực trắc địa và bản đồ, công nghệ LiDAR đã
được nghiên cứu, phát triển và đang được ứng dụng rất có hiệu quả. Khi hệ
thống LiDAR tích hợp với máy ảnh số, ngồi tạo ra mơ hình số độ cao theo
từng lớp cịn tạo ra bình đồ trực ảnh, ảnh phối cảnh 3D và các sản phẩm
phục vụ đa nghành khác.
Tại Việt Nam nhu cầu cấp bách về xây dựng cơ sở dữ liệu nền thông tin
địa lý, bản đồ địa hình tỉ lệ lớn, mơ hình 3D độ chính xác cao, phục vụ cho
quản lý tài ngun mơi trường, quy hoạch đô thị, dự báo thiên tai, nghiên cứu
biến đổi khí hậu, phát triển kinh tế và nhiều mục đích chun ngành khác là
nhiệm vụ rất khó khăn hiện nay. Do vậy, cơng tác nghiên cứu, tìm hiểu sâu
rộng về công nghệ và ứng dụng LiDAR trong lĩnh vực trắc địa bản đồ là rất
cấp thiết, có tính khoa học và thời sự cao, đang được các đơn vị, các cá nhân
quan tâm nghiên cứu thử nghiệm và áp dụng vào thực tế sản xuất nhằm đáp
ứng nhu cầu ngày càng cao của nền kinh tế xã hội trong thời kỳ cơng nghiệp
hố hiện đại hố đất nước.
Vì những lý do trên, tôi lựa chọn đề tài: “Ứng dụng công nghệ LiDAR
trong công tác xây dựng cơ sở dữ liệu nền thông tin địa lý (thử nghiệm tại thị xã
Sông Công, tỉnh Thái Nguyên)”
11
2. Mục đích đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
a. Mục đích nghiên cứu của đề tài:
Mục đích của đề tài là góp phần thúc đẩy phát triển cơng nghệ mới
LiDAR, hồn thiện các ứng dụng cơng nghệ đưa vào sản xuất thực tế trong điều
kiện tại Việt Nam.
b. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài:
Nghiên cứu tổng quan về cơ sở dữ liệu nền thông tin địa lý.
Nghiên cứu ứng dụng công nghệ LiDAR trong công tác xây dựng cơ sở
dữ liệu nền thông tin địa lý; Nghiên cứu các đặc điểm kỹ thuật và tính ưu việt
của cơng nghệ LiDAR; Nghiên cứu thiết bị hệ thống tích hợp máy ảnh số và
LiDAR HARRIER56.
Nghiên cứu quy trình cơng nghệ xây dựng cơ sở dữ liệu nền thông tin địa
lý tỉ lệ 1/5.000 từ sản phẩm của công nghệ LiDAR.
- Khảo sát, lập thiết kế Kỹ thuật Dự toán.
- Bay quét LiDAR kết hợp với chụp ảnh số bằng hệ thống tích hợp máy
ảnh số và LiDAR HARRIER56.
- Đo đạc ngoại nghiệp: Đo nối trạm Base, đo bãi hiệu chỉnh mặt phẳng và
độ cao, đo GPS khi bay quét, bay quét LiDAR kết hợp chụp ảnh số. Xử lý dữ
liệu, hoàn thiện sản phấm của LiDAR, xây dựng mơ hình số độ cao và tạo bình
đồ trực ảnh.
- Xây dựng cơ sở dữ liệu (CDSL) nền thông tin địa lý 1:5000 từ sản phấm
của công nghệ LiDAR:
+ Điều tra ngoại nghiệp thông tin đối tượng địa lý.
+ Véc tơ hố dữ liệu khơng gian và thuộc tính các đối tượng địa lý.
+ Chuấn hố dữ liệu địa lý gốc.
+ Biên tâp bản đồ địa hình tỷ lệ 1/5000.
+ Xây dựng CSDL nền thơng tin địa lý 1/5000.
12
3. Nội dung và phương pháp nghiên cứu
a. Nội dung nghiên cứu:
- Nghiên cứu tổng quan về cơ sở dữ liệu nền thông tin địa lý
- Nghiên cứu khả năng ứng dụng công nghệ LiDAR trong công tác xây
dựng cơ sở dữ liệu nền thông tin địa lý.
- Thử nghiệm đánh giá độ chính xác và hiêu quả của cơng nghê tích hợp
LiDAR trong xây dựng cơ sở dữ liệu nền thông tin địa lý tại tại Việt Nam.
b. Phương pháp nghiên cứu:
Tìm hiểu các nội dung cơ bản về cơ sở dữ liệu nền thơng tin địa lý.
Tìm hiểu các thành quả nghiên cứu của các nhà khoa học trong và ngồi
nước về cơng nghệ tích hợp LiDAR.
Sử dụng các hệ thống tích hợp LiDAR hiện có để sản xuất thực nghiệm
và kiểm chứng những nội dung nghiên cứu.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
- Nghiên cứu và phổ biến kiến thức về ứng dụng công nghệ LiDAR trong
công tác xây dựng cơ sở dữ liệu nền thơng tin địa lý tại Việt Nam.
- Hồn thiện quy trình cơng nghệ; Hiện thực hố, kiểm chứng quy trình
cơng nghệ, triển khai thực tiễn phương pháp luận và kết quả nghiên cứu để đưa ra
sản xuất.
Với những lợi ích to lớn mà cơng nghệ LiDAR đem lại, đồng thời việc áp
dụng thành công công nghệ LiDAR là một bước trưởng thành và phát triển của
khoa học công nghệ trắc địa bản đồ ở nước ta trên con đường hội nhâp với khoa
học công nghệ tiên tiến của thế giới.
5. Cấu trúc của luân văn
Luận văn gồm 3 chương, ngồi ra cịn có các phần mở đầu, kết luận, tài
liệu tham khảo, được trình bày trong 100 trang với 23 hình vẽ và 06 bảng biểu
với các nội dung chính sau:
13
Chương 1: Tổng quan về cơ sở dữ liệu nền thông tin địa lý.
Chương 2: Ứng dụng công nghệ LiDAR trong công tác xây dựng cơ sở dữ
liệu nền thông tin địa lý.
Chương 3: Thử nghiệm xây dựng cơ sở dữ liệu nền thông tin địa lý từ sản
phẩm của công nghệ LiDAR khu vực thị xã Sông Công, tỉnh Thái Nguyên.
6. Lời cảm ơn
Tác giả bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đến thầy TS. Cáp
Xuấn Tú, thầy PGS. TS. Nguyễn Trường Xuân các thầy cô giáo trong Bộ
mơn Bản đồ, phịng Đại học và Sau đại học, Xí nghiệp Bay chụp và Đo vẽ
ảnh, Cơng ty Đo đạc và Khống sản - Tổng Cơng ty Tài nguyên và Môi
trường Việt Nam và các bạn đồng nghiệp đã giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi
để học viên hồn thành luận văn của mình.
14
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CƠ SỞ DỮ LIỆU NỀN THÔNG TIN ĐỊA LÝ
1.1. Khái quát về cơ sở dữ liệu (CSDL) nền thông tin địa lý
1.1.1. Khái niệm chung về CSDL
Cơ sở dữ liệu (CSDL) là tập hợp có tổ chức hợp lý các thơng tin có
quan hệ với nhau được sắp xếp theo những nguyên tắc và cấu trúc đã được
xác định từ trước và lưu trữ như một đơn vị thống nhất trong các thiết bị lưu
trữ lớn như đĩa cứng, băng từ. Các dữ liệu này để phục vụ cho đa ngành,
nhiều người sử dụng và để sử dụng cho các mục đích khác như quản lý cũng
như các nghiên cứu khác nhau.
Cơ sở dữ liệu nền thông tin địa lý là một sản phẩm được xây dựng từ
đối tượng địa lý dựa trên các tiêu chuẩn kỹ thuật nhất định (ví dụ: OGC,
W3C, ISO TC211, OPENGIS...), có khả năng mã hố, cập nhật và trao đổi
qua các dịch vụ truyền tin hiện đại. Định dạng mở, không phụ thuộc vào
phần mềm gia công dữ liệu. [6]
Cơ sở dữ liệu nền thông tin địa lý bao gồm những thông tin mô tả thế
giới thực ở mức cơ sở, có độ chi tiết và độ chính xác đảm bảo để làm nền cho
các mục đích xây dựng các hệ thống thông tin địa lý chuyên đề khác nhau. Mỗi
khu vực địa lý cần được mô tả bởi loại dữ liệu “cơ sở” phù hợp sao cho mức độ
khái lược và thu nhỏ mơ hình thực địa là ít nhất, cho phép đủ phục vụ đa mục
đích. Theo đó, tuỳ thuộc vào mơ hình quản lý, khai thác ứng dụng, cập nhật sản
phẩm dữ liệu địa lý để định hướng cho công tác đo đạc xây dựng CSDL nền
trên phạm vi cả nước hoặc theo khu vực địa lý phục vụ đa mục đích (Ví dụ
CSDL nền địa lý ở tỷ lệ 1/10.000 bao trùm toàn bộ lãnh thổ; CSDL nền địa lý ở
tỷ lệ 1/2000, 1/5000 sẽ có mức độ chi tiết và độ chính xác cao hơn, thường
dành cho các khu vực đô thị, thành phố, các khu kinh tế trọng điểm...).
Tài liệu mô tả sản phẩm dữ liệu nền địa lý được xây dựng trên cơ sở các
văn bản hướng dẫn áp dụng Quy chuẩn thông tin địa lý cơ sở Quốc gia cho từng
15
loại CSDL nền. Cấu trúc dữ liệu địa lý được quy định chặt chẽ trong danh mục đối
tượng và lược đồ ứng dụng của mỗi loại dữ liệu địa lý ở mức cơ sở (nền), với mật
độ thông tin tương đương với các loại bản đồ địa hình truyền thống cùng loại tỷ lệ.
Mỗi bộ dữ liệu địa lý đều kèm theo dữ liệu mô tả các thông tin cơ bản về chính nó
(METADATA), cho phép người sử dụng có thể hình dung được về độ tin cậy về
một sản phẩm dữ liệu nền địa lý, cách tiếp cận và cấu trúc nội dung như những đặc
tính cơ bản về một bộ sản phẩm dữ liệu: Bao nhiêu lớp đối tượng địa lý, thuộc tính
của từng loại đối tượng địa lý và quan hệ giữa chúng.
1.1.2. Đặc điểm của cơ sở dữ liệu hệ thông tin địa lý
Đây là một cơ sở dữ liệu đặc biệt gồm các dữ liệu về vị trí, hình dạng
khơng gian của các đối tượng địa lý được thể hiện dưới dạng: điểm, đường, vùng
trong cấu trúc vector hoặc các ô vuông (pixel) trong cấu trúc raster với các giá trị
thuộc tính phi khơng gian của chúng.
Đặc điểm nổi bật của CSDL hệ thông tin địa lý là nó bao gồm các
thơng tin đã được sắp xếp và gắn với một lãnh thổ nhất định. Hệ thống dữ
liệu này phải quản lý cả hai dạng thơng tin: khơng gian và thuộc tính.
Những hệ quản trị CSDL thuần túy chỉ quản lý các thông tin thuộc tính mà
khơng có thơng tin khơng gian.
Một đặc điểm nữa của CSDL hệ thông tin địa lý là một CSDL được tổ
chức theo kiểu quan hệ, trong đó số liệu được lưu trữ, sắp xếp theo các bảng ghi
chứa các đối tượng và các giá trị thuộc tính.
Mối liên kết các dữ liệu phản ánh mối quan hệ mật thiết giữa hai loại
thông tin. Mối liên kết đảm bảo cho mỗi đối tượng địa lý đều được gắn liền
với các thơng tin thuộc tính, phản ánh đúng hiện trạng và các điểm riêng biệt
của đối tượng. Đồng thời qua nó người sử dụng dễ dàng tra cứu, tìm kiếm và
chọn lọc các đối tượng theo yêu cầu thông qua bộ xác định hay chỉ số Index.
Sự liên kết giữa các thành phần dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc tính
được thể hiện qua hình 1.1. [6]
16
Dữ liệu khơng gian
Dữ liệu thuộc tính
Hình 1.1: Liên kết dữ liệu khơng gian và thuộc tính
1.1.3. Nội dung cơ bản CSDL nền thông tin địa lý
Nội dung dữ liệu được xây dựng theo bảng danh mục đối tượng bản đồ
tỷ lệ 1/2000, 1/5.000, 1/10.000 kèm thơng tin thuộc tính của đối tượng địa lý
theo chuẩn địa lý Quốc gia, được chia thành 7 chủ đề dữ liệu như sau:
1.1.3.1. Nhóm lớp cơ sở tốn học:
Nội dung của dữ liệu địa lý trong từng đơn vị sản phẩm đều phải tuân thủ
thống nhất theo các quy định và phải đảm bảo liên kết được trong toàn bộ phạm
vi khu vực thi cơng theo từng đơn vị hành chính thành một bộ dữ liệu thống nhất
và tiếp biên với các khu vực kế cận theo các Quy định hiện hành.
Cơ sở dữ liệu nền địa lý, dữ liệu địa lý gốc và bản đồ địa hình tỷ lệ
1/2000, 1/5.000, 1/10.000 có cùng cơ sở toán học với tham số như sau: Lưới
chiếu UTM; hệ toạ độ VN-2000, hệ độ cao Quốc gia Việt Nam; múi chiếu
3°; kinh tuyến Trung ương 105 0 kinh độ Đông. [1]
Biểu thị các điểm khống chế địa chính trở lên.
17
1.1.3.2. Nhóm lớp ranh giới, địa giới:
Đường địa giới cấp xã, huyện được chuyển từ bộ hồ sơ địa giới 364/CT.
Các đường địa giới phải là những đường liên tục từ điểm giao nhau này
đến điểm giao nhau khác và phải đi theo đúng vị trí thực của đường địa giới
Mốc địa giới biểu thị theo kết quả đo tại thực địa.
Các loại thành luỹ, tường, hàng rào, ranh giới thực phủ …
1.1.3.3. Nhóm lớp địa hình:
Dựa trên sản phẩm DEM của cơng nghệ LiDAR, nội suy đường bình độ
với khoảng cao đều 1m cho khu vực đồi núi có trong khu đo. Đường bình độ
được thể hiện bắt đầu từ chân đồi, núi.
Chọn lọc đối tượng DiemDoCao theo quy định mơ hình cấu trúc dữ liệu nền
địa lý 1/5.000: “Mật độ điểm độ cao từ 10 đến 15 điểm trên 0,25 km2 (tương đương
với 1 dm2 bản đồ) đối với dữ liệu 1/5.000. Đối với khu vực địa hình khơng thể hiện
được bằng đường bình độ theo quy định thì mật độ điểm độ cao tăng gấp đơi”.
Dáng đất thể hiện bằng đường bình độ và ký hiệu biểu thị đặc trưng địa
hình, ghi chú độ cao và hướng chỉ dốc.
Khu vực khơng biểu thị được bằng đường bình độ thì biểu thị điểm độ cao.
Đường bình độ phải được biểu thị liên tục và không được cắt nhau
hoặc vặn soắn.
Đường bình độ và các điểm độ cao phải được gán giá trị độ cao.
1.1.3.4. Nhóm lớp thuỷ hệ:
Thể hiện chính xác và chi tiết hình dáng của đường bờ sông, suối 2 nét,
ao, hồ lớn.
Đường mép nước biểu thị theo thực tế đo vẽ tại thực địa.
Khi biểu thị thuỷ văn phải thể hiện được đặc tính có nước quanh năm, theo
mùa; hướng dòng chảy; hướng thuỷ triều (nếu có).
Khi vẽ hệ thống thuỷ văn phải áp dụng ngun tắc: các nhánh sơng, suối,
kênh mương có cùng tên gọi phải đi liên tục, hai nhánh sông khác nhau gặp nhau
tại ngã 3 sơng và tại đó trên nhánh sơng chính phải có điểm nút.
18
Hệ thống thuỷ văn khi gặp các thiết bị phụ thuộc như cầu, cống, đập... đều
phải tạo điểm nút tại chỗ giao nhau.
Các sông, suối, kênh, mương vẽ một nét phải bắt liền vào hệ thống sơng
ngịi vẽ 2 nét, tại các điểm bắt nối phải có điểm nút.
1.1.3.5. Nhóm lớp giao thơng:
Mỗi tuyến đường giao thơng cùng một tính chất phải được biểu thị là đối
tượng liên tục, không đứt đoạn, kể cả các đoạn đường qua sông nét đôi, qua các
chữ ghi chú hay chạy qua khu dân cư và các địa vật độc lập khác.
Các tuyến giao thông phải cắt nhau tại các ngã 3, ngã 4 tại các điểm nút.
Các đoạn đường giao thông qua cầu, qua đập vẽ theo theo tỷ lệ phải vẽ
đoạn tim đường giao thơng trùng khít với tim ký hiệu theo tỷ lệ.
Các đoạn đường giao thông đi qua các ký hiệu phi tỷ lệ (cell) phải tạo
điểm nút tại vị trí gặp ký hiệu.
Biểu thị các cống qua đường theo ký hiệu.
1.1.3.6. Nhóm lớp xây dựng, cơ sở hạ tầng:
Sản phẩm LiDAR cho hình ảnh nắn thẳng đứng của đồ hình nhà cao tầng
và vật kiến trúc. Khi đó có thể dựa vào vị trí hình học của đồ hình mái để vẽ nhà
hoặc khối nhà theo quy định mô hình cấu trúc dữ liệu:
“Đồ hình nhà lấy theo vị trí đường chân tường của tồ nhà. Nhà ở nơng
thơn xác định đồ hình nhà chính. Nhà khơng tường xác định theo hình chiếu
thẳng đứng của đồ hình mái. Thu nhận nhà độc lập hoặc khối nhà đang xây dựng
khi đồ hình đã được xác định”.
Trên ảnh màu có thể nhận thấy khu dân cư đơng đúc có nhà cửa đa dạng
về kiểu kiến trúc và độ cao, ngõ đi quanh co, khơng rõ ràng, khi véc tơ hóa trong
nhà không đủ điều kiện tách, cần biểu thị đối tượng bằng một kí hiệu riêng (nét
đứt) để xác minh, cập nhật tại thực địa.
Hình ảnh nhà, khối nhà phải đảm bảo có góc, cạnh rõ rệt , nếu đồ hình nhà
có các góc ngoặt là vng, khi đo vẽ phải sử dụng các chức năng bẻ góc vng
của phần mềm để biểu thị.
19
Khi xác định đồ hình nhà thuộc các khu vực có khn viên rõ ràng
như: trụ sở cơ quan, trường học, chùa, khu công nghiệp... nếu nhận biết
được các đối tượng ranh giới khu chức năng như tường rào, hàng cây sống,
có thể kết hợp xác định đồng thời vị trí hình học của các đối tượng này để
đảm bảo tính tương quan. Khơng đo vẽ những đoạn tường nhỏ đi liền với
đồ hình nhà trong khu dân cư.
Trong mơi trường Microstation, đối tượng nhà ở dạng Shape được đo vẽ
trực tiếp hoặc tạo từ các nét vẽ dạng Line, Linestring.
1.1.3.7. Nhóm lớp thực vật, phủ bề mặt:
Biểu thị và phân biệt ranh giới giữa các vùng thực vật
Biểu thị các hàng cây, dải cây chạy song song với các địa vật hình tuyến.
Tồn bộ các cây độc lập trong khu đo đều phải biểu thị.
Các loại thực vật gộp chung ký hiệu dùng ghi chú thuyết minh để phân
biệt các loại cây.
Mỗi vùng đối tượng khác nhau: vùng thực vật, vùng dân cư, vùng thuỷ
hệ, vùng đường giao thông theo tỷ lệ, các loại vùng trên file địa hình đều
phải quản lý thành các polygon có mã code khác nhau theo qui định thuộc
nhóm lớp phủ bề mặt.
Các vùng đối tượng như trên phải là các polygon khép kín được định
nghĩa bởi các đường ranh giới thực vật và các địa vật hình tuyến (giao thơng,
thuỷ hệ, viền dân cư…). Các vùng đối tượng phải trùng khít biên với nhau và tạo
thành một mặt khép kín trên cả khu đo, khơng có tình trạng thủng lỗ chỗ.
1.1.4. Phương pháp xây dựng CSDL nền thông tin địa lý
1.1.4.1. Các phương pháp xây dựng CSDL:
+ Phương pháp xây dựng CSDL theo mơ hình tệp.
+ Phương pháp xây dựng CSDL theo mơ hình quan hệ đối tượng trên nền
cơng nghệ ARCGIS.
+ Phương pháp xây dựng CSDL theo mơ hình quan hệ đối tượng nguồn
mở PostGIS/PostgreSQL.
20
1.1.4.2. Phương pháp xây dựng CSDL nền thông tin địa lý:
Dữ liệu địa lý là dữ liệu lưu trữ thông tin của các đối tượng địa lý. Một đối
tượng địa lý là một thực thể ngồi thế giới thực có liên quan đến một vị trí trên
trái đất. Đối tượng địa lý bao gồm các thông tin sau:
+ Thông tin về hình học (khơng gian): là thơng tin mơ tả vị trí của đối
tượng địa lý thơng qua tọa độ trong một hệ quy chiếu nhất định. Các đối tượng
địa lý được mơ hình hố thành các kiểu đối tượng hình học cơ bản như điểm,
đường, và vùng. Một điểm được mô tả bởi một cặp toạ độ x, y. Đường được mô
tả bằng một chuỗi các điểm. Vùng là một đường khép kín.
+ Thơng tin về thời gian: là thơng tin mơ tả các tính chất thời gian của đối
tượng địa lý. Chẳng hạn như đối tượng tồn tại từ khi nào, đối tượng có những thể
hiện đặc biệt gì trong một khoảng thời gian nhất định...
+ Thơng tin thuộc tính chủ đề: là tất cảc các thuộc tính phi không gian,
thời gian của đối tượng địa lý. Các thơng tin này mơ tả một số các đặc tính cụ thể
của đối tượng theo một chủ đề nhất định.
+ Thông tin quan hệ: là quan hệ giữa các đối tượng địa lý với nhau, bao
gồm các quan hệ về không gian, cũng như thời gian.
+ Các thao tác: là các hành vi của đối tượng địa lý tại một số điều kiện
nhất định.
1.1.5. Nguồn dữ liệu để xây dựng dữ liệu địa lý
Khi xây dựng dữ liệu địa lý thì việc đầu tiên phải quan tâm là: dữ liệu sẽ
được xây dựng từ nguồn nào, chất lượng nguồn dữ liệu ra sao. Có rất nhiều
nguồn dữ liệu để có thể xây dựng dữ liệu địa lý.
+ Ảnh hàng không, ảnh viễn thám
+ Bản đồ địa chính dạng số
+ Bản đồ địa hình truyền thống dạng số
+ Sản phẩm cơng nghệ LiDAR và chụp ảnh số.
21
Tùy thuộc vào khả năng, điều kiện và yêu cầu sản phẩm dữ liệu có thể có
nhiều nguồn đầu vào khác nhau và với mỗi loại nguồn thông tin đầu vào thì sẽ có
chất lượng dữ liệu tương ứng. [6]
1.1.6. Chuẩn thông tin địa lý quốc gia
Để xây dựng và sử dụng hiệu quả CSDL hệ thông tin địa lý cần tuân
theo khung pháp lý thống nhất về kỹ thuật của sản phẩm, đó chính là chuẩn
thơng tin địa lý.
Chuẩn thông tin địa lý là hệ thống các tiêu chuẩn về cách thức, quy định
cách mô tả, biểu thị, cách xây dựng CSDL từ nhận thức thế giới thực đến CSDL
địa lý được lưu trữ theo cấu trúc, khuôn dạng nào đó. Các thành phần trong
CSDL và các phần tử trong mơ hình, tất cả các yếu tố này đều được quy định
theo các chuẩn thống nhất. Tuy nhiên, tùy mức phân tích sâu của mơ hình mà số
lượng chuẩn sử dụng nhiều hay ít. Cơng việc xây dựng chuẩn thông tin địa lý rất
quan trọng. Các chuẩn này phục vụ cho việc quản trị các yếu tố không gian và là
cơ sở phân tích chun mơn, thành lập các hệ trợ giúp quyết định.
Chuẩn thông tin địa lý được thiết kế nhằm chuẩn hóa các hoạt động:
+ Xây dựng dữ liệu địa lý theo các mục tiêu đã đặt ra
+ Trao đổi và chia sẻ dữ liệu địa lý
+ Cập nhật dữ liệu địa lý
+ Xây dựng các hệ thống ứng dụng
Hiện nay, tổ chức chuẩn hóa quốc tế ISO (International Organization for
tandardization) đã thành lập ủy ban kỹ thuật 211 về thông tin địa lý/địa tin học
ISO/TC211
(International
Standard
Organization
for
Geographic
information/Geomatics) để xây dựng chuẩn thơng tin địa lý. Mục đích của
ISO/TC211 là phát triển một bộ các chuẩn tích hợp cho thông tin địa lý và hỗ trợ
triển khai chuẩn trên phạm vi quốc tế. Tại Việt Nam, bộ Tài nguyên và Môi
trường đã bước đầu ban hành được bộ quy chuẩn cơ sở quốc gia về thông tin địa
lý. Danh mục các chuẩn xây dựng trong nội dung chuẩn hoá hệ thơng tin địa lý
cơ sở Quốc gia được trình bày như bảng 1.1
22
Bảng 1.1. Danh mục các chuẩn xây dựng CSDL [1]
8
TT
Tên chuẩn
1
Chuẩn thuật ngữ
Cơ sở áp dụng
Terminology standard (ISO 19104)
2
Chuẩn về hệ thống tham Spatial Referencing by coordinate, by
chiếu không gian
geographical identifiers (ISO 19111, 19112)
3
Chuẩn mơ hình cấu trúc Conceptual schema language, Data model (ISO
dữ liệu
19103, 19107, 19108, 19109)
4
Chuẩn về phân loại
đối tượng
Feature Cataloguing & Feature and Attribute
Coding Catalogue - FACC
5
Chuẩn về trình bày,
hiển thị
Portrayal and Symbolization (ISO 19117)
6
Chuẩn về chất lượng dữ Quality principles (ISO 19113)
liệu không gian
7
Chuẩn về siêu dữ liệu - Metadata (ISO 19115 and ANZLIC version 1,
Metadata
FGDC)
8
Chuẩn Chuẩn về mã
hóa, trao đổi dữ liệu
Encoding, Dsata Exchange (ISO 19118,
DIGEST)
1. Chuẩn thuật ngữ
Chuẩn thuật ngữ (Terminology Standard) có mục đích chuẩn hóa về các
khái niệm, cụm từ sử dụng trong bộ tài liệu chuẩn hóa. Những thuật ngữ này
được sử dụng như là những khái niệm cơ bản cho phép liên kết các nội dung
chuẩn hóa với nhau. Chuẩn hóa thuật ngữ giúp cho các bên tham gia trong xây
dựng và sử dụng thơng tin địa lý có cùng chung một ngôn ngữ.
2. Chuẩn về hệ thống tham chiếu không gian
Trong lĩnh vực hệ thống thông tin địa lý ở Việt Nam hiện nay, chuẩn về
hệ quy chiếu và toạ độ quốc gia là chuẩn đã được hoàn thiện . Hiện nay chuẩn
Hệ quy chiếu và hệ toạ độ quốc gia VN-2000 đã được ban hành tạo nền tảng
thống nhất về cơ sở quy chiếu cho dữ liệu đo đạc bản đồ nói chung và dữ liệu
thơng tin địa lý nói riêng. Chuẩn này bao gồm các quy định về:
23
Phạm vi áp dụng cho tất cả hệ thống toạ độ các cấp hạng, bản đồ địa hình,
bản đồ nền, bản đồ địa chính, bản đồ hành chính quốc gia và các loại bản đồ
chuyên dụng khác.
Các tham số của hệ quy chiếu: Ellipsoid WGS-84 tồn cầu, các ích thước, tốc
độ góc quay, hằng số trọng trường, định vị và điểm gốctoạ độ quốc gia.
Hệ thống toạ độ phẳng, lưới chiếu bản đồ quy định cho các tỷ lệ.
3. Chuẩn mơ hình cấu trúc dữ liệu địa lý
Chuẩn về mơ hình cấu trúc dữ liệu quy định cấu trúc của dữ liệu thông tin
địa lý sẽ được tổ chức và được xây dựng như thế nào. Đối với các thông tin địa
lý nền được áp dụng theo chuẩn mơ hình cấu trúc dữ liệu địa lý quốc gia và các
văn bản kỹ thuật và các quy phạm thành lập bản đồ địa hình các tỷ lệ bao gồm
các quy định về biểu diễn mơ hình cấu trúc, các kiểu dữ liệu nguyên thuỷ, các
cấu trúc dữ liệu cơ bản, mô hình đối tượng địa lý tổng quát...
4. Chuẩn về phân loại đối tượng địa lý
Chuẩn quy định phương pháp phân loại đối tượng. Chuẩn về phân loại đối
tượng sẽ định nghĩa những kiểu đối tượng địa lý cùng với thuộc tính và những
mối quan hệ. Chuẩn nêu rõ cách phân loại, nhận dạng, nội dung ý nghĩa của từng
loại đối tượng này đồng thời cũng mô tả cụ thể về quan hệ giữa các đối tượng và
dữ liệu thuộc tính cần phải có của từng đối tượng.
5. Chuẩn thể hiện trình bày dữ liệu địa lý
Chuẩn xác định một cơ chế cho phép trình bày bộ dữ liệu theo những
cách khác nhau mà không làm thay đổi nội dung dữ liệu. Cách thức xây dựng
dựa trên các chuẩn quy định về trình bày bản đồ số đã cơng bố và thiết kế, biên
tập bộ ký hiệu chuẩn cho bộ cơ sở dữ liệu.
6. Chuẩn về chất lượng dữ liệu không gian
Chuẩn này quy định quy trình đánh giá chất lượng. Chất lượng dữ liệu
được phân thành chất lượng định lượng và chất lượng phi định lượng. Các yếu tố
chất lượng dữ liệu định lượng bao gồm tính đầy đủ của các đối tượng, thuộc tính
và quan hệ của chúng, tính nhất quán logic về khái niệm (concept), miền giá trị
