Ứng dụng công nghệ viễn thám, hệ thông tin địa lý và gps để xây dựng cơ sở dữ liệu giao thông phục vụ mục đích quân sự

Bộ giáo dục và đào tạo

trờng đại học mỏ - ®Þa chÊt

Vị Duy ®iĨn c Má - ®Þa chÊt

øng dơng công nghệ viễn thám,
hệ thông tin địa lý và gps để xây dựng
cơ sở dữ liệu giao thông phục vụ
mục đích quân sự
Chuyên ngành:

Kỹ thuật trắc địa

MÃ số:

60.52.85

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Ngời hớng dẫn khoa học
TS. Trần Đình Trí

Hà Néi - 2009


ii
Bộ giáo dục và đào tạo

trờng đại học mỏ - ®Þa chÊt

Vị Duy ®iĨn c Má - ®Þa chÊt

øng dơng công nghệ viễn thám,
hệ thông tin địa lý và gps để xây dựng
cơ sở dữ liệu giao thông phục vụ
mục đích quân sự
Chuyên ngành:

Kỹ thuật trắc địa

MÃ số:

60.52.85

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Ngời hớng dẫn khoa học
TS. Trần Đình Trí

Hà Néi - 2009


iii

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và cha từng đợc
ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Tác giả luận văn

Vũ Duy Điển


iv

Mục lục
Trang phụ bìa
Trang
Lời cam đoan ....................................................................................................iii
Mục lục............................................................................................................. iv
Trang phụ bìa.................................................................................................... iv
Trang ................................................................................................................ iv
Danh mục các ký hiệu, chữ viết tắt ................................................................. vii
Danh mục các bảng .......................................................................................... ix
Danh mục các hình vẽ ....................................................................................... x
Mở ĐầU........................................................................................................... 1
Chơng 1 - Tổng quan về hệ thông tin địa lý, viễn thám và
GPS.................................................................................................................... 5
1.1. Khái quát Hệ thống thông tin địa lý (GIS) ................................................. 5
1.1.1. Định nghĩa ........................................................................................... 6
1.1.2. Mô hình và cấu trúc dữ liệu................................................................. 8
1.1.3. Các chức năng chính ......................................................................... 10
1.2. Khái quát về viễn thám............................................................................. 12
1.2.1. Định nghĩa ......................................................................................... 12
1.2.2. Hệ thèng viƠn th¸m ........................................................................... 12
1.2.3. Mét sè hƯ thèng vƯ tinh viễn thám cơ bản ........................................ 14
1.2.4. T liệu viễn thám............................................................................... 16
1.2.5. Phơng pháp xử lý t liệu.................................................................. 18

1.3. Khái quát về GPS...................................................................................... 20
1.3.1. Lịch sử ra đời của hệ thèng GPS ....................................................... 20
1.3.2. HÖ thèng GPS .................................................................................... 22
1.3.3. Mét số phơng pháp định vị GPS...................................................... 25
Chơng 2 - cơ sở dữ liệu giao thông phục vụ mục đích quân
sự .................................................................................................................... 29
2.1. Khái quát về cơ sở dữ liệu ........................................................................ 29
2.1.1. Khái niệm cơ sở dữ liệu..................................................................... 29
2.1.2. Hệ quản trị cơ sở dữ liệu và hệ thống cơ sở dữ liệu .......................... 30
2.1.3. Môi trờng cơ sở dữ liệu ................................................................... 31
2.1.4. Mô hình cơ sở dữ liệu........................................................................ 33
2.2. Phơng pháp xây dựng cơ sở dữ liệu........................................................ 38


v

2.2.1. Phơng pháp xây dựng cơ sở dữ liệu theo mô hình tệp..................... 38
2.2.2. Phơng pháp xây dựng CSDL theo mô hình quan hệ đối tợng trên
nền công nghệ ArcGIS ................................................................................ 38
2.2.1. Phơng pháp xây dựng CSDL theo mô hình quan hệ đối tợng nguồn
mở PostGIS/PostgreSQL.............................................................................. 39
2.3. Khái niệm các chuẩn thông tin địa lý cơ sở quốc gia .............................. 40
2.3.1. Mô hình cấu trúc dữ liệu ................................................................... 40
2.2.2. Mô hình khái niệm dữ liệu không gian ............................................. 42
2.2.3. Mô hình khái niệm dữ liệu thời gian ................................................. 45
2.2.4. Mô hình khái niệm danh mục đối tợng ........................................... 46
2.2.5. Hệ quy chiếu, hệ toạ độ..................................................................... 47
2.2.6. Siêu dữ liệu cơ sở............................................................................... 48
2.2.7. Tiêu chí đánh giá chất lợng cơ sở dữ liệu........................................ 49
2.2.8. Quy chuẩn trình bày dữ liệu địa lý.................................................... 49

2.2.9. Lợc đồ ứng dụng UML, quy tắc xây dựng và chuyển đổi............... 50
Chơng 3 - Tích hợp sử dụng công nghệ 3S để thành lập cơ
sở dữ liệu giao thông phục vụ mục đích quân sự ............... 51
3.1. Yêu cầu cơ bản đối với CSDL giao thông phục vụ mục đích quân sự ..... 51
3.1.1. Đối tợng trong cơ sở dữ liệu mạng giao thông vận tải quân sự....... 51
3.1.2. Các dữ liệu tích hợp trong CSDL giao thông .................................... 52
3.2. Quy trrình công nghệ ............................................................................... 52
3.2.1. Sơ đồ quy trình công nghệ................................................................. 52
3.2.2. Giải thích sơ đồ quy trình công nghệ ................................................ 53
3.3. Các giải pháp kỹ thuật .............................................................................. 55
3.3.1. Giải pháp sử dụng công nghệ viễn thám ........................................... 55
3.3.2. Giải pháp sử dụng công nghệ GPS .................................................... 65
3.3.3. Giải pháp sử dụng công nghệ GIS ..................................................... 65
Chơng 4 - Thử nghiệm xây dựng cơ sở dữ liệu giao thông 70
phục vụ mục đích quân sự ................................................................ 70
4.1. Yêu cầu nhiệm vụ..................................................................................... 70
4.1.1. Yêu cầu.............................................................................................. 70
4.1.2. Nhiệm vụ ........................................................................................... 71
4.2. Đặc điểm khu vực thi công....................................................................... 71
4.2.1. Đặc điểm địa lý tự nhiên ................................................................... 71
4.2.2. Đặc điểm kinh tÕ, chÝnh trÞ, x· héi.................................................... 72


vi

4.3. Đối tợng và nội dung cập nhật thông tin ................................................ 72
4.3.1. Đối tợng cập nhật thông tin............................................................. 72
4.3.2. Nội dung cập nhật thông tin .............................................................. 72
4.4. Xây dựng cơ sở dữ liệu............................................................................. 75
4.4.1. Tình hình t liệu ................................................................................ 75

4.4.2. Cơ sở toán học ................................................................................... 75
4.4.3. Thiết kế mô hình cơ sở dữ liệu .......................................................... 75
4.4.4. Xây dựng hệ thống CSDL bằng công nghệ ArcGIS.......................... 81
4.4.3. Xử lý ảnh vệ tinh, cập nhật thông tin vào CSDL............................... 81
4.4.6. Xử lý số liệu đo GPS, cập nhật thông tin vào cơ sở dc liệu............. 82
4.4.7. Quản trị và khai thác hệ thống cơ sở dữ liệu..................................... 83
4.5. Kết quả thử nghiệm .................................................................................. 85
4.6. Đánh giá hiệu quả..................................................................................... 85
kết luận và kiến nghÞ ......................................................................... 86
phơ lơc........................................................................................................ 88


vii

Danh mục các ký hiệu, chữ viết tắt
CSDL

Cơ sở dữ liệu.

ArcSDE GDB ArcSDE Geodatabase là CSDL không gian địa lý dạng quan
hệ đa ngời dùng có khả năng lu trữ dữ liệu địa lý lớn, có sử
dụng các hệ quản trị quản trị CSDL nh Oracle 10g hay SQL
Server.
BIL

Band Interleaved by Line: Khuôn dạng ghi của t liệu viễn
thám; thông tin lu trữ trình tự theo dòng quét.

CAD

Computer Aided Design: Máy tính trợ giúp thiết kế

FGDB

File Geodatabase là CSDL không gian địa lý theo tệp đợc
dùng trong ArcGIS, có khả năng lu trữ dữ liệu lớn tối đa là
1TB.

DGN

Định dạng tệp đồ họa của phần mềm MicroStation.

ECW

Định dạng tệp nén ảnh: giải pháp giảm dung lợng các tệp
ảnh lớn mà vẫn bảo toàn thông tin và độ nét hình ảnh.

GIS

Geographic Information System: Hệ thống thông tin địa lý.

GML

Geography Markup Language: Ngôn ngữ đánh dấu địa lý
dùng để mà hóa trao đổi dữ liệu địa lý.

GDB

Geodatabase: CSDL không gian địa lý là bộ su tập các tập dữ
liệu địa lý đợc lu trữ theo 3 loại chính sau: th mục các file

hƯ thèng hay CSDL Access, hay CSDL ®a ng−êi dïng nh
SQL Server, Oracle, DB2.

GPS

Global Positioning System: Hệ thống định vị toàn cầu.

HTML

HyperText Markup Language: Ngôn ngữ đánh dấu siêu văn
bản đợc dùng để thiết kế các trang Web.

ISO

International Standard Organization - Tỉ chøc tiªu chn qc
tÕ.


viii

LAN

Local Area Network: Mạng nội bộ.

LSC

Least Square Collocation - Phơng pháp nội suy.

MDL

MicroStation Development Language: Ngôn ngữ lập trình
phát triển cho phần mềm MicroStation.

Metadata

Siêu dữ liệu

OGC

Open GIS Consortium - Hiệp hội GIS mở, một tổ chức bao
gồm các công ty, các trờng đại học, các viện nghiên cứu lập
ra để cùng thiết lập các chuẩn phục vụ trao đổi dữ liệu địa lý.

PC

Personal Computer: Máy tính cá nhân.

PGDB

Personal Geodatabase là CSDL không gian địa lý đơn lẻ đợc
xây dựng cho mét ng−êi dïng sư dơng CSDL Access víi dung
l−ỵng tèi đa không quá 2GB.

RS

Remote Sensing: Công nghệ Viễn thám.

SHP

Chuẩn khuôn dạng tệp đồ họa trong phần mềm ArcGIS.

SQL

Structured Query Language: Ngôn ngữ truy vấn cấu trúc đợc
dùng để truy cập CSDL.

TC 211

Technical Committee 211: Uû ban chuÈn hãa th«ng tin địa lý
thuộc tổ chức tiêu chuẩn hoá quốc tế, ban hành bộ tiêu chuẩn
mang mà hiệu ISO - 19100.

Topology

Thuật ngữ đợc sử dụng để chỉ mối quan hệ không gian giữa
các đối tợng địa lý.

UML

Unified Modeling Language: Ngôn ngôn ngữ mô hình hóa
thống nhất dùng để thiết kế.

XML

Extensible Markup Language: Ngôn ngữ đánh dấu mở rộng
để xây dựng các trang HTML.


ix

Danh mục các bảng

Bảng 1.1. Các thông số kỹ thuật của bộ cảm TM của LANDSAT.................. 14
Bảng 1.2. Các thông sè chÝnh cđa bé c¶m HRV cđa SPOT-5......................... 15
B¶ng 2.1. Các loại hệ trục cơ sở tơng ứng với các hệ toạ độ......................... 47
Bảng 4.1. Danh mục đối tợng địa lý CSDL giao thông quân sự.................... 76
Bảng 4.2. Các kiểu đối tợng địa lý thuộc lớp đờng bộ ................................ 77
Bảng 4.3. Một số thuộc tính của các kiểu đối tợng địa lý mở rộng .............. 78
Bảng 4.4. Các tiêu chí đánh giá chất lợng dữ liệu......................................... 79
Bảng 4.5. Độ chính xác nắn ảnh theo điểm kiểm tra và điểm khống chế ....... 81
Bảng 4.6. Quản trị hệ thống ............................................................................ 84


x

Danh mục các hình vẽ

Hình 1.1. GIS, GPS và viễn thám với công nghệ thành lập bản đồ số .............. 6
Hình 1.2. Cấu trúc của Hệ thống thông tin địa lý ............................................. 8
Hình 1.3. Phơng pháp ứng dụng GIS............................................................. 12
Hình 1.4. Hệ thống viễn thám ......................................................................... 13
Hình 1.5. Quá trình thu thập sóng điện từ....................................................... 13
Hình 1.6. Hình ảnh một số vệ tinh viễn thám ................................................. 16
Hình 1.7. ảnh gốc và ảnh đà hiện chỉnh ......................................................... 19
Hình 1.8. Cấu trúc của hệ thống viễn thám..................................................... 22
Hình 1.9. Quỹ đạo và hình dáng vệ tinh NAVSTRAR ................................... 23
Hình 1.10. Sơ đồ vị trí các trạm điều khiển mặt đất........................................ 23
Hình 1.11. Sơ đồ khối máy thu GPS................................................................ 25
Hình 1.12. Sơ đồ lấy các hiệu pha................................................................... 27
Hình 2.1. Các trạm kết nối máy tính tập trung................................................ 31

Hình 2.2. Truy cập dữ liệu trong môi trờng Chủ/khách ................................ 32
Hình 2.3. Truy cập dữ liệu trong môi trờng khách chủ................................. 33
Hình 2.4. Quá trình xử lý dữ liệu của mô hình CSDL tệp............................... 34
Hình 2.5. Mô hình cơ sở dữ liệu phân cấp ...................................................... 34
Hình 2.6. Mô hình cơ sở dữ liệu mạng............................................................ 35
Hình 2.7. Mô hình cơ sở dữ liệu quan hệ ........................................................ 36
Hình 2.8. So sánh mô hình cấu trúc quan hệ và hớng đối tợng................... 37
Hình 2.9. Mô hình địa lý tổng quát ................................................................. 42
Hình 2.10. Hai gói UML cơ bản ..................................................................... 43
Hình 2.11. Mô hình khái niệm không gian hình học ...................................... 43
Hình 2.12. Mô hình mô tả các gói UML chính của mô hình khái niệm không
gian hình học ................................................................................................... 44
Hình 2.13. Mô hình khái niệm không gian Topo............................................ 44


xi

Hình 2.14. Mô hình mô tả các lớp UML chính của mô hình khái niệm không
gian Topo......................................................................................................... 44
Hình 2.15. Mô hình khái niệm thời gian ......................................................... 45
Hình 2.16. Mô hình mô tả các đối tợng hình học không gian ...................... 45
Hình 2.17. Mô hình mô tả các đối tợng Topo thời gian ................................ 46
Hình 2.18. Mô hình khái niệm củ mô hình hệ quy chiếu toạ độ..................... 47
Hình 2.19. Phơng pháp đánh giá chất lợng dữ liệu địa lý ........................... 49
Hình 2.20. Mô hình khái niệm lợc đồ trình bày dữ liệu địa lý...................... 49
Hình 3.1. Sơ đồ quy trình công nghệ xây dựng CSDL giao thông.................. 53
Hình 3.2. Quy trình tạo bản đồ từ cơ sở dữ liệu .............................................. 54
Hình 3.3. Sơ đồ quy trình công nghệ thành lập bình đồ ảnh vệ tinh............... 56
Hình 3.4. Sơ đồ bố trí điểm khống chế ảnh theo mô hình vật lý..................... 58
Hình 3.5. Sơ đồ quy trình công nghệ cập nhật thông tin từ ảnh vệ tinh.......... 62

Hình 3.6. Minh hoạ nén bình đồ ảnh............................................................... 64
Hình 3.7. Hình minh hoạ cách tích hợp bình đồ ảnh vào CSDL ..................... 64
Hình 4.1. Mô hình mô tả các gói UML chính................................................. 77
Hình 4.2. Lợc đồ cấu trúc UML của lớp CauGiaoThong.............................. 78


1

Mở ĐầU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Ngày nay, công nghệ thông tin đà ở một bớc phát triển cao, cho phép
số hóa mọi loại dữ liệu thông tin, đồng thời nối kết chúng lại với nhau, trao
đổi và luân chuyển mạnh mẽ. Những công cụ và sự kết nối của thời đại kỹ
thuật số cho phép chúng ta dễ dàng thu thập, chia sẻ thông tin và hành động
trên cơ sở những thông tin này theo một phơng thức hoàn toàn mới. Sự tơng
tác với công nghệ truyền thông đa phơng tiện (Multimedia) và đặc biệt mạng
toàn cầu Internet ®· lµm cho cc sèng cđa chóng ta thay ®ỉi một cách toàn
diện. Nhiều khái niệm mới đà xuất hiện kéo theo hàng loạt sự thay đổi về các
quan niệm, các tập tục, các thói quen truyền thống và thậm chí cả cách nhìn
nhận các giá trị.
Trong ngành địa hình quân sự, bên cạnh khối lợng đồ sộ t liệu giao
thông đợc tích lũy qua nhiều năm, đợc quản lý theo phơng thức truyền
thống, đà có hàng loạt các sản phẩm mới dạng số chất lợng cao, bớc đầu đÃ
đáp ứng tốt cho công tác huấn luyện và sẵn sàng chiến đấu. Các sản phẩm này
là kết quả của việc ứng dụng nhiều công nghệ hiện đại - công nghệ tin học
trong những năm gần đây.
Để đáp ứng yêu cầu nhiệm vụ quản lý và cấp phát cho toàn quân đòi hỏi
CSDL giao thông phải có chủng loại phong phú, khối lợng đồ sộ, mang tính
hiện thời cao, dễ dàng khai thác sử dụng và phải đảm bảo an toàn, bảo mật. Vì
vậy, vấn đề cấp thiết đặt ra là phải tổ chức và xây dựng một hệ thống CSDL

giao thông tối u nhằm nâng cao hiệu quả công tác quản lý, điều hành sản
xuất đáp ứng khả năng tham mu và bảo đảm tính thời sự trong các hoạt động
của lực lợng vũ trang.
Xuất phát từ những nhu cầu thực tế trên, luận văn ứng dụng công
nghệ viễn thám, hệ thông tin địa lý và GPS để xây dựng cơ sở dữ liệu giao
thông phục vụ mục đích quân sự nhằm đa ra một giải pháp khoa học để
quản trị thống nhất toàn bộ các t liệu giao thông bằng công nghệ tin học, làm
cơ sở phát triển hệ thống thông tin địa lý (GIS) giao thông quân sự theo chuẩn
Quốc gia và Quốc tế. Nhu cầu nghiên cứu này không nằm ngoài chiến lợc
phát huy nội lực tiến tới xây dựng nền kinh tế tri thức, phát triển công nghệ
phần mềm phục vụ các ngành kinh tế xà hội và quốc phòng an ninh.


2

2. Mục đích nghiên cứu của đề tài
Nghiên cứu, đề xuất phơng pháp ứng dụng công nghệ viễn thám, hệ
thông tin địa lý và công nghệ GPS để xây dựng CSDL giao thông phục vụ cho
quân sự. Đồng thời đề xuất giải pháp tối u để nâng cao hiệu quả công tác
quản lý t liệu bằng công nghệ tin học;
3. Đối tợng và phạm vi nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu của luận văn bao gồm các vấn đề liên quan đến các
lý thuyết về CSDL, các nguyên lý của Hệ thống thông tin địa lý (GIS), viễn
thám và Hệ thống định vị (GPS). Phân tích, đánh giá chất lợng và khai thác
dữ liệu; các tiêu chuẩn dữ liệu địa lý; xây dựng mô hình khuôn mẫu để qui
nạp dữ liệu giao thông.
4. Nội dung nghiên cứu
Luận văn tập trung nghiên cứu khả năng kết hợp t liệu ảnh viễn thám
và số liệu GPS để xây dựng cơ sở dữ liệu giao thông phục vụ cho quân sự. Lựa
chọn giải pháp tối u cho việc xây dựng CSDL giao thông đó là hệ thống quản

lý dữ liệu trên nền công nghệ ArcGIS.
5. Phơng pháp nghiên cứu
Phơng pháp thống kê: thu thập, tổng hợp và xử lý các thông tin, t
liệu, tài liệu liên quan.
Phơng pháp phân tích: tổng hợp, xử lý, thiết kế các hệ thống CSDL.
Phơng pháp thực nghiệm: thử nghiệm lấy các số liệu thực tế làm sáng
tỏ cơ sở lý thuyết đa ra.
6. ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu
Nội dung của luận văn đợc xây dựng trên cơ sở kết hợp sử dụng các
loại t liệu bản đồ địa hình, ảnh viễn thám và số liệu đo GPS để thành lập cơ
sở dữ liệu giao thông phục vụ công tác tham mu địa hình quân sự trong giai
đoạn hiện nay.
Việc khai thác tối đa t liệu hiện có và xây dựng cơ sở dữ liệu giao
thông trên hệ thống mạng LAN tạo ra bớc chuyển biến trong cách quản lý,
cập nhật tra cứu t liệu và khai thác thông tin hiệu quả tránh đợc sự lÃng phí,
thất thoát dữ liệu, nâng cao đợc tính bảo mật của dữ liệu.


3

HƯ thèng CSDL giao th«ng cho phÐp cung cÊp th«ng tin t liệu nhanh
chóng, cho ra những sản phẩm đa dạng, chính xác và làm cơ sở để xây dựng
hệ thống thông tin địa lý GIS.
7. Bố cục của đề tài
Ngoài phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo và phụ lục, nội dung
chính của đề tài đợc trình bày trong 4 chơng:
Chơng 1: - Tổng quan về Hệ thông tin địa lý, viễn thám và Hệ thống
định vị.
Phần này đa ra một số khái niệm, định nghĩa có liên quan đến Hệ
thống thông tin địa lý, viễn thám và Hệ thống định vị.

Chơng 2: - Cơ sở khoa học của cơ sở dữ liệu giao thông phục vụ mục
đích quân sự.
Chơng này trình bày khái quát về CSDL, phơng pháp xây dựng CSDL
và các quy định về các chuẩn thông tin địa lý quốc gia.
Chơng 3: - Tích hợp ảnh viễn thám và công nghệ GPS để xây dựng cơ
sở dữ liệu.
Quy trình công nghệ và các giải pháp kỹ thuật đợc giải quyết trong
chơng này.
Chơng 4: - Thực nghiệm thành lập CSDL giao thông phục vụ mục đích
quân sự.
Thử nghiệm thành lập 01 mẫu CSDL giao thông phục vụ mục đích quân
sự và hớng dẫn khai thác, sử dụng cụ thể.
8. Lời cảm ơn
Luận văn: ứng dụng công nghệ viễn thám, hệ thông tin địa lý và
GPS để xây dựng cơ sở dữ liệu giao thông phục vụ mục đích quân sự đợc
thực hiện tại trờng Đại học Mỏ - Địa chất trong khoảng thời gian từ tháng 11
năm 2008 đến tháng 8 năm 2009.
Để thực hiện luận văn này ngoài sự nỗ lực của bản thân, tôi xin đợc
bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Trần Đình Trí, ngời đà trực tiếp hớng
dẫn, giúp ®ì, ®ãng gãp nhiỊu ý kiÕn q b¸u trong qu¸ trình chọn và nghiên
cứu đề tài này.


4

Tôi cũng xin đợc gửi lời cảm ơn sâu sắc tới Ban Chủ nhiệm cùng toàn
thể các thầy, cô thuộc khoa Trắc địa, đặc biệt là Bộ môn Đo ảnh và Viễn
thám, trờng Địa học Mỏ - Địa chất giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi để tôi
hoàn thành luận văn này.
Tôi cũng xin trân trọng cảm ơn sự hớng dẫn và giúp đỡ tận tình của

phòng Đại học và sau Đại học, trờng đại học Mỏ - Địa chất trong suốt quá
trình tôi học tập và hoàn thành luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn lÃnh đạo Công ty Trắc địa Bản đồ, Cục Bản
đồ/BTTM, các đồng nghiệp đà giúp đỡ và tạo mọi điều kiện cho tôi hoàn
thành luận văn đúng thời hạn.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình, những ngời đà luôn
bên tôi, động viên, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện để tôi thực hiện luận văn một
cách tốt nhất.
Do thêi gian cã h¹n cịng nh− kiÕn thøc khoa häc, kiến thức thực tiễn
còn nhiều hạn chế nên luận văn trên không thể tránh khỏi những thiếu sót nhất
định. Tôi rất mong nhận đợc những ý kiến đóng góp của các thầy cô giáo và
các bạn bè đồng nghiệp để bổ sung, hoàn chỉnh luận văn.
Xin trân trọng cảm ơn!


5

Chơng 1
Tổng quan về hệ thông tin địa lý, viễn thám và GPS
1.1. Khái quát Hệ thống thông tin địa lý (GIS)
Hệ thông tin địa lý - tên tiếng anh là Geographical Information System
viết tắt: GIS là một hệ thống kết hợp giữa con ngời và hệ thống máy tính
cùng các thiết bị ngoại vi để lu trữ, xử lý, phân tích, hiển thị các thông tin địa
lý để phục vụ một mục đích nghiên cứu, quản lý nhất định.
Trong thời gian gần đây GIS đà phát triển rất mạnh mẽ trên mọi mặt cả
về cơ sở lý luận, công nghệ và tổ chức. GIS đà đợc ứng dụng rộng rÃi trên
nhiều lĩnh vực nh địa lý, đo vẽ bản đồ, môi trờng, nông lâm nghiệpứng
dụng GIS cho phép nghiên cứu bất kỳ thực thể không gian nào trên trái đất
dới các dạng cơ bản nh điểm, đờng hoặc vùng.
Đặc điểm chung của GIS là khi nghiên cứu bất kỳ đối tợng không gian

nào việc đầu tiên là định vị chúng trong hệ toạ độ trái đất nhất định. Một
thông tin có toạ độ về một thực thể không gian gọi là thông tin địa lý. Các
thực thể không gian trong khái niệm GIS còn đợc gọi là các đối tợng không
gian. Các đối tựợng không gian này đợc định vị bởi toạ độ nhất định và còn
có các thuộc tính về hình dạng, kích thớc và các đặc tính khác nhau. Bên
cạnh đó còn có các quá trình hoạt động khác nhau do tự nhiên hoặc phi tự
nhiên diễn ra trên thực thể không gian đó. Theo thời gian các thực thể không
gian luôn chuyển hoá và biến đổi liên tục từ thực thể không gian này sang
thực thể không gian khác.
Trên thực tế thông tin về một hiện tợng tự nhiên hoặc về mọi thực thể
không gian đà đợc định vị rất đa dạng. Với một thực thể không gian nhất
định mỗi nhà nghiên cứu lại cho ra một dạng thông tin khác nhau để phục vụ
cho lĩnh vực nghiên cứu của mình.
Trong lĩnh vực trắc địa bản đồ, công nghệ GIS đà đợc ứng dụng rất
hiệu quả và đà đem lại những thành tựu rất lớn, đặc biệt là nhu cầu kết hợp


6

giữa viễn thám với việc thành lập bản đồ số ngày càng tăng lên và sự kết hợp
này chỉ có thể thực hiện một cách hiệu quả dựa trên nền công nghệ GIS.

Hình 1.1. GIS, GPS và viễn thám với công nghệ thành lập bản đồ số
1.1.1. Định nghĩa
GIS đợc nghiên cứu trên rất nhiều lĩnh vực ứng dụng và nhiều quốc gia
trên thế giới vì vậy cũng có rất nhiều định nghĩa của các nhà khoa học khác
nhau, có thể kể đến nh sau:
Chorley (1987):
GIS là một hệ thống thu thập, lu trữ, hiển thị, kiểm tra, tổ hợp, phân
tích các dữ liệu với sự tham chiếu đến trái đất.

David Cowen (1989):
GIS là một hệ thống gồm phần cứng, phần mềm và các phơng thức
đợc thiết kế để hỗ trợ việc thu thập, lu trữ, hiển thị, quản lý, điều khiển,
phân tích, mô hình hoá các dữ liệu về không gian để giải quyết các bài toán về
quản lý và hỗ trợ ra quyết định.


7

Clarke (1990):
GIS là một hệ thống đợc tự động hoá để thu thập, lu trữ, chỉnh sửa,
hiển thị, phân tích dữ liệu về không gian.
Viện nghiên cứu môi trờng Mỹ (ERSI):
Hệ thông tin địa lý là tổ hợp của 4 hợp phần có quan hệ thống nhất
liên quan chặt chẽ với nhau là phần cứng gồm máy vi tính và thiết bị liên
quan, phần mềm và tổ chức con ngời đợc hoạt động đồng bộ nhằm thu thập,
lu trữ, quản lý, thao tác phân tích, và mô hình hoá, hiển thị các dữ liệu
không gian có định vị theo toạ độ dùng cho trái đất và có đầy đủ dữ liệu thuộc
tính nhằm đáp ứng các nhu cầu thực tế.
Tóm lại, dù định nghĩa theo quan điểm nào thì GIS đều có điểm chung
là liên quan đến một hệ thông tin các dữ liệu địa lý có sự tham gia của máy
tính. Yếu tố địa lý đợc sử dụng trong tham chiếu vị trí cho dữ liệu không gian
qua dữ liệu phi không gian. Điểm khác biệt cơ bản giữa GIS và các hệ thông
tin khác là các dữ liệu thông tin đợc định vị trong một hệ toạ độ nhất định
(xác định vị trí địa lý).
Tuy nhiên, định nghĩa của Viện ngiên cứu môi trờng Mỹ (ERSI) là
hoàn chỉnh nhất, với 4 hợp phần trên có mối quan hệ chặt chẽ và ảnh hởng
lẫn nhau. Phần cứng là các máy tính có tốc độ xử lý khác nhau ảnh hởng trực
tiếp đến phần mềm cài đặt trên nó và ngời sử dụng. Bên cạnh đó phần mềm
luôn luôn thay đổi phù hợp với từng cấu hình máy tính. Cơ cấu tổ chức sẽ

quyết định sự phát triển của GIS. Sù hiĨu biÕt vỊ GIS cđa mét tỉ chøc một cơ
quan, một cá nhân sẽ định hớng cho việc nghiên cứu ứng dụng GIS theo yêu
cầu đặt ra. Thiếu một trong bốn hợp phần trên thì một hệ GIS sẽ ngừng hoạt
động (theo ERSI - Viện nghiên cứu môi trờng Mỹ).
Vậy có thể hiểu một cách ngắn gọn hơn GIS có các hợp phần cơ bản đó
là kỹ nghệ (phần cứng và phần mềm), cơ sở dữ liệu (dữ liệu không gian và dữ
liệu thuộc tính), cơ sở hạ tầng (con ngời và các tổ chức).


8

Hình 1.2. Cấu trúc của Hệ thống thông tin địa lý
1.1.2. Mô hình và cấu trúc dữ liệu
a. Mô hình dữ liệu địa lý
Bao gồm bốn thành phần cơ bản sau:
- Thành phần không gian.
- Thành phần phi không gian
- MÃ khoá
- Quan hệ Topology
Trong đó. mà khoá là mà số duy nhất cho thực thể, đặc trng duy nhất
cho thực thể, để phân biệt thực thể này với thực thể khác.
Định vị xác định vị trí thực tế của thực thể trên thực tế, thông thờng
ngời ta hay dùng các hệ toạ độ để xác định toạ độ thực thể. Có nhiều hệ toạ
độ khác nhau.
Thành phần phi không gian là thành phần chứa số liệu về thuộc tính của
thực thể, các thuộc tính này có thể là định lợng hoặc định tính, có các kiểu
dữ liệu là ghi danh, chØ sè, kho¶ng, tØ lƯ.


9

Dữ liệu không gian đợc xây dựng trên cơ sở toán học của bản đồ và các
lớp thông tin địa kỹ thuật, gồm các loại đối tợng khác nhau của các nhóm
thông tin. Các lớp thông tin đợc gắn chỉ số ID cùng tên và hệ thống mà khoá
chính, phụ và phơng thức truy nhập thông tin, phơng thức thiết lập các
trờng, các minh hoạ và dẫn giải cho từng loại thông tin phục vụ cho ngời sử
dụng
b. Cấu trúc hệ thống dữ liệu
Bao gồm Hồ sơ dữ liệu và Cơ sở dữ liệu.
Hồ sơ dữ liệu (Metadata ) đợc xem là Dữ liệu về dữ liệu nhằm lu
giữ những thông tin về bản thân dữ liệu. Hồ sơ dữ liệu là một trong những
thông tin quan trọng trong ứng dụng GIS. Việc chuyển giao CSDL GIS sẽ
đợc thực hiện dễ dàng trên cơ sở dữ liệu đợc gắn liền với hồ sơ dữ liệu. Hiện
nay, với sự phát triển mạnh của khoa học kỹ thuật thì việc ứng dụng GIS trong
ngành mình là rất cần thiết, nhu cầu trao đổi dữ liệu giữa các ngành với nhau
và trong nội bộ từng ngành là rất lớn, do đó việc xây dựng hồ sơ dữ liệu đÃ
đợc đặt ra là nhu cầu thiết yếu. Việc xây dựng hồ sơ dữ liệu cần đợc tiến
hành theo tiêu chuẩn nhất định, trong đó lu ý quy định rõ các thông tin cần
thể hiện và các cách thể hiện các thông tin đó.
Cơ sở dữ liệu không gian và cơ sở dữ liệu thuộc tính là cốt lõi của một
GIS. Để cho dữ liệu GIS đợc ứng dụng hiệu quả cần phải đợc tổ chức tốt và
có chất lợng tốt. Việc đánh giá chất lợng của dữ liệu GIS đợc đánh giá trên
cơ sở các chuẩn dữ liệu. Việc tuân thủ các chuẩn dữ liệu của một CSDL GIS là
nhằm để đồng bộ các dữ liệu không gian đợc sử dụng trong các ứng dụng.
Cơ sở dữ liệu có cấu trúc rất phức tạp, gồm cả các thông tin về vị trí,
khả năng liên kết địa hình và thuộc tính các đối tợng. Để thuận tiện trong quá
trình truy nhập dữ liệu thì dữ liệu phải đợc tổ chức theo một dạng cấu trúc
nào đó (Dạng cấu trúc phân cấp, cấu trúc mảng, cấu trúc quan hệ). Cho dù dữ
liệu đợc tổ chức theo dạng cấu trúc nào thì khuôn dạng các dữ liƯu ®Ịu ë

10

dạng vector hay raster và phải tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn dữ liệu
ngay từ khâu đầu khi làm dữ liệu là khâu thiết kế và nhập dữ liệu. Việc tuân
thủ tốt các tiêu chuẩn dữ liệu có ý nghĩa rất quan trọng, bảo đảm độ chính xác
dữ liệu số và tạo sự thống nhất của dữ liệu, cho phép giải quyết các bài toán
không gian (chồng xếp, phân tích, lựa chọn, đa ra quyết định).
1.1.3. Các chức năng chính
Thông thờng, GIS có các chức năng cơ bản sau đó là thu thập dữ liệu;
tổng hợp và lu trữ dữ liệu; phân tích và xử lý dữ liệu; hiển thị dữ liệu; ứng
dụng.
a. Thu thập, cập nhật dữ liệu
Một trong những chức năng quan trọng của GIS là thu thập, nhập và bổ
sung dữ liệu, các quá trình này đợc tiến hành song song, đồng thời bởi thế
giới thực luôn luôn vận động, thay đổi và phát triển.
Việc cập nhËt d÷ liƯu cã thĨ sư dơng ngn t− liƯu dới dạng số hoặc
dạng giấy. Dạng t liệu nh bản đồ giấy hoặc ảnh vệ tinh, ảnh máy bay và các
nguồn t liệu số khác phải đợc chuyển đổi về khuôn dạng chuẩn trong hệ
thống đang sử dụng.
b. Tổng hợp và lu trữ dữ liệu
Chuyển đổi dữ liệu là một chức năng rất gần với việc nhập và bổ sung
dữ liệu. Nhiều phần mềm thơng mại cố gắng giữ độc quyền bằng cách hạn
chế đa ra các khuôn dạng dữ liệu thông dụng. Tuy nhiên ngời sử dụng phải
lựa chọn để hạn chế việc phải chuẩn hóa những tài liệu hiện đang có ở dạng
số. Trong thực tế, cùng một t liệu nhng có thể tồn tại ở nhiều khuôn dạng
khác nhau. Vì vậy, đối với dữ liệu GIS quốc gia, không thể chỉ lu giữ ở một
dạng thuộc tính riêng biệt mà cần thiết phải lu giữ ở nhiều khuôn dạng có
tích chất phổ biến để sử dụng đợc trong nhiều ứng dụng khác nhau.
Một chức năng quan trọng của GIS là lu trữ và tổ chức cơ sở dữ liệu:

đa dạng về thuộc tính, về khuôn dạng, về đơn vị đo, về tỷ lệ bản đồ.
Hai yêu cầu cơ bản trong việc lu trữ dữ liệu là phải tổ chức nguồn dữ
liệu sao cho đảm bảo độ chính xác và không mất thông tin, thứ hai là các tài
liệu cho cùng một khu vực song các dữ liệu lại khác nhau về tỷ lệ, về đơn vị
đo... thì phải đợc định vị chính xác và chuyển đổi một cách hệ thống để có
thể xử lý hiệu quả.


11

c. Phân tích và xử lý dữ liệu
Hiện nay, GIS đang là công cụ hỗ trợ quyết định rất có hiệu quả cho các
mục tiêu phát triển kinh tế, bảo vệ môi trờng. Do vậy, cũng có rất nhiều ban
ngành xây dựng GIS cho riêng mình. Chính vì điều đó mà mỗi một GIS đợc
xây dựng theo những tiêu chí và mục đích khác nhau. Cơ sở dữ liệu của GIS
do vậy cũng đa dạng và phong phú cả về hình thức lẫn chất lợng và độ chính
xác. Quá trình xây dựng GIS, đòi hỏi t liệu không gian phải đợc lựa chọn
với một chỉ tiêu nhất định và đợc phân loại theo một phơng thức riêng, tổng
hợp thành những đặc điểm khác biệt của hệ thống, do đó GIS phải đảm nhiệm
đợc chức năng điều khiển thông tin không gian.
Các thuộc tính khác nhau có thể đợc tổng hợp, nắm bắt một cách riêng
biệt và những sự khác biệt có thể đợc xác định, đợc tính toán và đợc can
thiệp, biến đổi và đề xuất hớng ứng dụng mới.
d. Trình bày và hiển thị
Dữ liệu xử lý cần đợc hiển thị dới các khuôn dạng nh: mô hình, chữ
và số, dạng bảng biểu hoặc dạng bản đồ chuyên đề. Các tính toán và kết quả
phân tích đợc lu trữ ở dạng chữ và số để dễ dàng in ra hoặc trao đổi giữa các
phần mềm khác nhau. Các dữ liệu thuộc tính có thể đợc lu ở dạng bảng biểu
hoặc các dạng cố định khác. Bản đồ đợc thiết kế để hiển thị trên màn hình
hoặc lu dới dạng điểm để in. Nh vậy, hiển thị và in ra là những chức năng

rất cần thiết của một GIS.
e. ứng dụng chuyên ngành
Bằng các phơng pháp tích hợp thông tin trong GIS: Phép đại số bản đồ,
mô hình hoá, nội suy ...chóng ta hoµn toµn cã thĨ kÕt xt ra những thông tin
hoàn toàn mới từ các lớp thông tin của CSDL, nhằm giải quyết các bài toán
chuyên ngành khác nhau.
GIS đợc sử dụng rộng rÃi trong mọi lĩnh vực nh quản lý ruộng đất,
điều tra và khai thác tài nguyên thiên nhiên, khảo sát và xây dựng các công
trình giao thông, cơ sở hạ tầng, quân sự ...


12

Hình 1.3. Phơng pháp ứng dụng GIS
1.2. Khái quát về viễn thám
1.2.1. Định nghĩa
Viễn thám (Remote sensing) đợc định nghĩa là khoa học và công nghệ
thu thập thông tin của vật thể mà không tiếp xúc trực tiếp với vật thể đó.
Định nghĩa sau đây có thể coi là tiêu biểu:
Viễn thám là khoa học và công nghệ mà theo đó các đặc tính đối
tợng quan tâm đợc nhận diện, đo đạc, phân tích các tính chất mà không có
sự tiếp xúc trực tiếp với đối tợng.
1.2.2. Hệ thống viễn thám
Có thể hình dung hệ thống viễn thám một cách đơn giản theo hình 1.4.
Bức xạ mặt trời một phần bị khuếch tán trong khí quyển; khi xuống đến mặt
đất, một phần bị hấp thụ, một phần truyền qua, một phần phản xạ. Bộ cảm trên
vệ tinh thu những sóng phản xạ này - sóng điện từ mang thông tin. Tín hiệu
thu đợc từ vệ tinh truyền xuống trạm thu trên mặt đất. Sau khi đợc xử lý
bằng công nghệ xử lý ảnh số hay giải đoán bằng mắt thờng, những thông tin
này sẽ chuyển đến cho ngời dùng.

13

Hình 1.4. Hệ thống viễn thám
Hình minh họa dới đây sẽ cho thấy rõ hơn quá trình thu nhận sóng
điện từ mang thông tin của viễn thám quang học (với bộ cảm thụ động) và
viễn thám radar (với bộ cảm chủ động).

Hình 1.5. Quá trình thu thập sóng điện từ


14

1.2.3. Một số hệ thống vệ tinh viễn thám cơ bản
a. Vệ tinh LANDSAT
LANDSAT là vệ tinh viễn thám đầu tiên đợc NASA phóng lên quỹ
đạo vào năm 1972.
Các thế hƯ vƯ tinh nµy bao gåm: LANDSAT ERTS-1 (1972) sau đổi tên
thành LANDSAT-1; LANDSAT-2 (1975); LANDSAT-3 (1978); LANDSAT-4
(1982) và LANDSAT-5 (1984); LANDSAT-6 (1993) nhng đà phóng không
thành công; LANDSAT-7 (1999).
Trên vƯ tinh LANDSAT bé c¶m cã ý nghÜa quan träng nhất và đợc sử
dụng nhiều nhất là TM. Các thông số chính của bộ cảm TM nh sau:
Bảng 1.1. Các thông số kỹ thuật của bộ cảm TM của LANDSAT
Kênh phổ

Bớc sóng

Phổ điện từ

Độ phân giải

Kênh 1

0,45-0,52 àm

Chàm xanh (Blue)

30 m

Kênh 2

0,52-0,60 àm

Xanh lục (Green)

30 m

Kênh 3

0,63-0,69 àm

Đỏ (Red)

30 m

Kênh 4

0,76-0,90 àm

Gần hồng ngoại

30 m

Kênh 5

1,55-1,75 àm

Hồng ngoại

30 m

Kênh 6

10,4-12,5 àm

Hồng ngoại nhiệt

120 m

Kênh 7

2,08-2.35 àm

Hồng ngoại trung

30 m

Hiện nay có hai vệ tinh đang hoạt động là LANDSAT-5 và LANDSAT7. Quỹ đạo của các vệ tinh này đợc đặc trng bởi các thông số chính sau:

+ Độ cao bay 705 km, gốc nghiêng phẳng quỹ đạo 980.
+ Quỹ đạo đồng hồ mặt trời và bán lặp lại. Thời điểm bay qua xích đạo
9h30 sáng.
+ Chu kỳ lặp lại 17 ngµy vµ bỊ réng tun chơp 185 km.