Giáo trình Hệ thông tin địa lý - Chương 2: Mô hình hóa Trái Đất

Nội dung text: Giáo trình Hệ thông tin địa lý - Chương 2: Mô hình hóa Trái Đất

1. Ch−ơng II. Mô hình hoá trái đất. 2.1. Ba ph−ơng pháp mô tả trái đất. Những áp dụng của hệ thông tin địa lý GIS đã đ−ợc trình bày ở ch−ơng I cho ta thấy những mẫu ứng dụng đều nhằm nắm bắt thiên nhiên, xây dựng môi tr−ờng, dự đoán những thay đổi trên thế giới dựa trên thời tiết, những hoạt động của con ng−ời hay những sự kiện địa chất. Trong mỗi ứng dụng chúng ta đều nhận thấy: quyết định đ−ợc xây dựng quan hệ tới sự sử dụng tập hợp dữ liệu tự nhiên, để phục vụ cho kiểu dữ liệu logic. Dữ liệu biểu diễn mô hình: Với GIS, ta có ba ph−ơng pháp cơ bản để tạo dữ liệu mô hình hoá trái đất: - Mô hình vector: Tập hợp các đối t−ợng riêng lẻ (discrete) đ−ợc dịnh dạng kiểu Vector. - Mô hình l−ới (grid): Tập hợp các ô (cells) với dữ liệu kiểu quang phổ hay thuộc tính. - Mô hình các tam giác không đều (TIN): Tập hợp các điểm tam giác (triangulated point) mô hình hoá bề mặt trái đất. Mô hình hoá bằng các dữ liệu vector. Mô hình vector (hình 2.1) biểu diễn các đối t−ơng nh− điểm (point), đ−ờng (line), và đa giác (polygon). Mô hình vector áp dụng tốt nhất cho việc mô tả các đối t−ợng riêng rẽ, đ−ợc xác định hình dạng đ−ờng biên. Những đối t−ợng này có hình dạng vị trí chính xác, thuộc tính, nguồn gốc (metadata), ứng xử (behavious). Hình 2.1. Mô hình Vector Mô hình hoá bằng dữ liệu raster. Dữ liệu raster biểu diễn hình ảnh (hình 2.2), hay dữ liệu liên tục. Mỗi ô hay phần tử ảnh trên raster mang một giá trị đo đạc. ảnh vệ tinh hay không ảnh là nguồn dữ liệu raster thông dụng nhất, ngoài ra dữ liệu raster còn có thể là những ảnh chụp thông th−ờng các đối t−ợng nh− những công trình chẳng hạn. 35
2. Tập hợp dữ liệu raster có khả năng v−ợt trội trong việc l−u trữ và làm việc với loại dữ liệu liên tục, nh− độ cao, mặt n−ớc, nguồn ô nhiễm vùng ảnh h−ởng của tiếng ồn. Hình 2.2. Mô hình raster Mô hình hoá bằng dữ liệu tam giác TIN (triangulated irregular networks - Tins). Mô hình TIN có ích và sử dụng có hiệu quả để biểu diễn một phần bề mặt của trái đất (hình 2.3) TINs hỗ trợ quan sát theo phối cảnh. Có thể phủ lên trên mô hình TIN một hình ảnh để tạo ra hình ảnh thực, biểu diễn khu đất. Mô hình TIN đặc biệt có hiệu quả trong việc mô hình hoá các đ−ờng phân thuỷ, tụ thuỷ, hiển Hình 2.3. Mô hình tam giác thị bề mặt, các đ−ờng chiếu sáng, độ dốc, h−ớng, bãi sông và thể tích. Mô hình TIN có thể mô hình hoá điểm, đ−ờng và đa giác. Ph−ơng pháp tam giác đ−ợc tạo thành từ vô số các điểm có toạ độ x,y,z. Các đ−ờng gián đoạn biểu diễn các con suối, diềm sông suối và vô số các đôi t−ợng dạng tuyến, không thể kể hết. Những mặt biểu diễn đa giác, với cùng một độ cao nh− hồ, đầm hay biên giới. Bản đồ đ−ờng đồng mức có thể tạo ra từ mô hình TIN, sử dụng tuyến nội suy, hay thuật toán làm trơn các đa tuyến. 2.2. Mô hình hoá bề mặt. GIS có thể tạo mô hình bề mặt bằng ba ph−ơng pháp, đó là mặt raster, đ−ờng đồng m−c và mạng l−ới tam giác không đều TIN. Mỗi ph−ơng pháp có điểm mạnh riêng, nh−ng mô hình TIN có khả năng rất mạnh trong việc phân tích, đồng thời mô hình raster cũng là công cụ phân tích rất đ−ợc −a chuộng. 36
3. 2.2.1. Bề mặt raster. Một số dữ liệu trái đất có dạng l−ới ô vuông đều nhau với giá trị độ cạo. Ví dụ nh− kiểu dữ liệu mô hình số độ cao Hình 2.4. Mô hình số độ cao (Digital Elevation Model - DEM) theo (DEM) tiêu chuẩn của trắc địa Hoa Kỳ (hình 2.4). Tập hợp dữ liêu raster biểu diễn cao độ, đặt ở những khoảng cách đều nhau. Mỗi ô trên raster liên kết với một giá trị độ cao. Từ tập hợp dữ liệu raster độ cao, bất kỳ cao độ điểm nào trên bề mặt, cũng có thể tính toán và có thể tạo ra các đ−ờng đồng mức. Ưu điểm của dữ liệu raster là: - Khái niệm mô hình theo dữ liệu raster đơn giản. Dữ liệu l−u trữ gọn gàng. - Các thuật toán ứng dụng vào mô hình raster rõ ràng. - Dữ liệu độ cao t−ơng đối phong phú và chi phí không cao. Nh−ợc điểm của dữ liệu raster là: - L−ới không linh hoạt không phù hợp với sự biến đổi của địa hình. - Các đối t−ợng dạng tuyến không đ−ợc biểu diễn tốt cho nhiều ứng dụng. 2.2.2. Đ−ờng đồng mức. Đ−ờng đồng mức có thể đ−ợc dùng để biểu diễn các bề mặt. Đ−ờng đồng mức là đ−ờng chạy theo giá trị độ cao nh− nhau. Đ−ờng đồng mức là nguồn dữ liệu thông tin mặt đất, dễ truy cập đối với đa số ng−ời sử dụng bản đồ. Đ−ờng đồng mức dễ hiểu đối với mọi ng−ời. Đ−ờng đồng mức khép kín là một cách biểu hiện trực quan cho ng−ời dùng bản đồ biết đ−ợc độ dốc của vị trí bất kỳ Hình 2.5. Đ−ờng đồng mức trên khu đất. Góc gãy nhọn của đ−ờng đồng mức cho ta biết đó là điểm khởi nguồn của con suối hay mũi đất. Có thể biết đ−ợc thế nằm của khu đất khi xem đ−ờng đồng mức. Tuy có những −u điểm nh− trên, nh−ng đ−ờng đồng mức cũng có những nh−ợc điểm. Đ−ờng đồng mức th−ờng hạn chế việc tạo mô hình hoá bề mặt bằng máy tính. Tập hợp các điểm trên đ−ờng đồng mức không thể tạo ra một cách thuận tiện tập hợp dữ liệu của bề mặt. Khó chuyển đổi dữ liệu từ dạng đ−ờng đồng mức 37
4. sang mô hình raster hay mô hình TINs. Sự chuyển đổi thành đ−ờng đồng mức luôn là ph−ơng sách cuối cùng để xây dựng mô hình bề mặt. 2.2.3. Mạng l−ới tam giác không đều TIN. Mạng l−ới tam giác không đều (TIN) là có hiệu quả và chính xác để mô hình hoá bề mặt liên tục. 1' Tập hợp các điểm có toạ độ x,y,z thông qua thiết bị photogrammetric, tập hợp dữ liệu GPS, hoặc bằng những ph−ơng tiện khác. Các đ−ờng đứt nét thể hiện sự thay đổi của mặt, còn phạm vi không nối các tam giác thể hiện các đối t−ợng nh− hồ Hình 2.6. Mô hình TIN đ−ợc xây n−ớc. dựng theo cách này 2' Từ tập hợp các điểm, phần mềm GIS tạo ra mạng l−ới tối −u các tam giác, các tam giác này mang tên "Tam giác Delaunay". Trong mô hình TIN các tam giác đ−ợc tạo ra sao cho càng gần gũi với tam giác đều càng nhiều càng tốt. 3' Mỗi một tam giác tạo ra một mặt phẳng dốc nghiêng. Từ mô hình TIN, có thể tính toán đ−ợc cao độ cho bất kỳ một điểm nào, tr−ớc hết dựa vào toạ độ X, Y sau đó nội suy ra cao độ Hình 2.7. Tam giác có toạ độ đỉnh Z. 3D trong mô hình TIN Mô hình TIN ứng dụng có hiệu quả vì mật độ điểm ở khu vực trên bề mặt tỷ lệ với sự biến đổi của mặt đất. Khu vực đồng ruộng phẳng thì sẽ có mật độ điểm thấp hơn, còn khu vực núi đòi hỏi phải có mật độ điểm cao hơn, đặc biệt ở nơi bề mặt thay đổi đột ngột. 2.2.3.1. Các bộ phận của mô hình TIN: Mô hình TIN có thể biểu diễn các điểm, các đ−ờng, các đa giác. Mỗi điểm trong một khối các điểm đều mang theo cặp toạ độ 3 giá trị X,Y,Z. Những điểm này đ−ợc tập hợp bởi các thiết bị photogrammetric, công nghệ viễn Hình 2.8. Mô hình TIN với các thám, hoặc chuyển đổi dữ liệu khác sang. đỉnh, đ−ờng gẫy, lỗ thủng 38
5. Những đ−ờng gián đoạn biểu thị bề mặt thay đổi đột ngột, không liên tục. Ví dụ, những tr−ờng hợp dùng đ−ờng nét đứt để mô tả con suối, đ−ờng phân thuỷ, mép của công trình xây dựng, hoặc những vùng đã có sự thay đổi bể mặt đào đắp bằng máy móc. Vùng bị loại trừ (lỗ thủng) biểu thị khu vực có độ cao bằng nhau, thông th−ờng nhất là các hồ ao. Phần phía trong của biên công trình cũng không đ−ợc đ−a vào, điều này quan trọng khi ta tính khối l−ợng công tác đất. 2.2.3.2. Biểu diễn bề mặt bằng mô hình TIN: Có một vài ph−ơng pháp để hiển thị bề mặt đ−ợc biểu diễn bằng mô hình TIN. Có thể vẽ mô hình TIN trên bản đồ phẳng (không gian 2 chiều) với màu sắc để biểu diễn độ cao, độ dốc và các diện mạo bề mặt. Với phần mềm nh− Arcinfo có thể biểu diễn phối cảnh của một bề mặt với hình phủ, đ−ờng đồng mức, l−ới hay những đối t−ợng khác nữa. 2.2.3.3. Phân tích bằng mô hình TIN: Với mô hình TIN ta có thể có thể thực hiện đ−ợc nhiều công việc phân tích bề mặt. Một số phân tích nh−: - Tính toán cao độ, độ dốc, diện mạo (h−ớng dốc) cho bất kỳ điểm nào trên bề mặt. - Phát sinh đ−ờng đồng mức bằng các đ−ờng gẫy khúc, hoặc đ−ờng trơn nội suy tam giác đạc. - Xác định mức độ, phạm vi, cao độ của bề mặt. - Tổng hợp thống kê cho bề mặt nh− thể tích đất theo một mặt phẳng, độ dốc trung bình, diện tích, chu vi khu đất. - Tạo mặt cắt dọc biểu thị dọc theo một tuyến trên bề mặt. - Thực hiện việc tính toán thể tích đất cho công trình đ−ờng, để có thể tính toán cân bằng khối l−ợng đào đất ở khu này đắp vào khu kia. - Phân tích diện tích của bề mặt nhìn thấy từ một điểm. 2.3. Mô hình hoá bằng hình ảnh hay dữ liệu tiêu biểu. Dữ liệu ảnh đ−ợc thu thập từ ảnh vệ tinh, hoặc không ảnh. ảnh vệ tinh là ph−ơng pháp thu thập dữ liệu một vùng rộng lớn với giá thành ít tốn kém nhất, vì vậy nó là một bộ phận quan trọng trong nhiều hệ thông tin địa lý. Tập hợp dữ liệu Raster. 39
6. Dữ liệu raster có thể đ−ợc dùng để lót ở d−ới cùng của bản đồ, để làm nguồn cho việc chchuyển đổi dữ liệu, tạo mô hình l−ới bề mặt, hoặc mô hình hoá tạo hàm xấp xỉ cho những điểm phân tán. Phần mềm GIS có thể nhanh chóng phủ chồng tập hợp dữ liệu raster. Tập hợp dữ liệu raster l−u giữ ma trận các ô (cell) với giá trị tiêu biểu cho mỗi cell (hình 2.9). Mỗi cell có cùng chiều rộng và chiều cao. Toạ độ địa lý ở góc phía bên trái trên cùng của l−ới, cùng với kích th−ớc của cell và số hàng số cột của l−ới, xác định duy nhất Hình 2.9. Mô hình l−ới với các cell không gian trải ra của tập hợp dữ liệu mang thuộc tính raster. Các giá trị của tập hợp dữ liệu raster có thể là số nguyên (integer) hay số có phần lẻ (floating number). Một vài kiểu của giá trịcủa các cell raster có thể nh− sau: - ánh sáng t−ơng phản đậm nhạt trong ảnh. - ánh sáng có c−ờng độ ở một vùng riêng của quang phổ trong ảnh vệ tinh. - Thuộc tính nh− sử dụng đất hay kiểu đối t−ợng, nh− nhà hay đ−ờng phố. - Giá trị Z, nh− cao độ hoặc sự tập trung. Bảng giá trị thuộc tính (a value attribute table - VAT) có thể tuỳ chọn liên kết với tập hợp dữ liệu raster. Bảng thuộc tính l−u giữ giá trị phân loại. Có thể thêm vào bảng nhiều cột. Tập dữ liệu raster có một hay một vài băng (band) dữ liệu (hình 2.10). Mỗi band trong Hình 2.10. Cácbăng (band) của tập tập dữ liệu raster có một l−ới phủ xác định, dữ liệu raster nh−ng biểu thị những giá trị thuộc tính khác nhau. Thông th−ờng, dùng nhiều band dữ liệu trong tr−ờng hợp biểu diễn dữ liệu đa quang phổ, thu đ−ợc qua ảnh vệ tinh. Tập dữ liệu raster nh− là thuộc tính đối t−ợng. Không phải tất cả các tập dữ liệu thuộc tính đều có tham chiếu địa lý. Một hình ảnh có thể đ−ợc dùng nh− một thuộc tính cho đối t−ợng. 40
7. Nếu ta xây dựng một GIS về mua bán nhà, ta có thể muốn đ−a lên mạng internet hình ảnh phối cảnh của ngôi nhà nhìn từ một điểm nhìn nào đó và đ−a ra bản đồ với biểu t−ợng cho mỗi mỗi ngôi nhà cần bán. Ng−ời mua có thể nhấp chuột vào biểu t−ợng để xem hình ảnh đầy đủ của ngôi nhà, các yếu tố khác của nhà, giá cả của ngôi nhà. Hình 2.11. Hình ảnh của ngôi nhà cần bán Những ví dụ khác cho việc dùng hình ảnh nh− thuộc tính đối t−ợng là: - Tài liệu đ−ợc đ−ợc quét bằng máy scanner nh− giấy phép hay những văn bản chứng từ. - Các forms tr−ờng dữ liệu liên kết với vị trí địa lý. - Các phác hoạ thiết kế, sơ đồ, mặt bằng nhà sơ phác vv Biểu diễn điểm, đ−ờng và đa giác. Một điểm trong tập dữ liệu raster có thể đ−ợc biểu diễn bằng 1 cell hay một vài cell liên tục nằm cạnh nhau. Đ−ờng có thể đ−ợc biểu thị bằng một loạt các cells có bề rộng là 1 hoặc một vài cells. Đa giác có thể đ−ợc mô tả bằng Hình 2.12. Điểm, đ−ờng, đa một mảng các cells. Mặc dù ta có thể nhìn thấy giác phân biệt đ−ợc điểm, đ−ờng, đa giác theo dạng dữ liệu raster, nh−ng tốt hơn nếu ta chuyển đổi từ dạng raster sang dạng vector nếu ta muốn t−ơng tác tới đối t−ợng. Chuyển đổi tập dữ liệu raster. Hình 2.13. Chuyển đổi dữ liệu ảnh thành các đối t−ợng Tập dữ liệu raster có chể đ−ợc tạo ra một cách dễ dàng, song các đối t−ợng cần mô tả, nhiều khi sẽ có lợi hơn khi dữ liệu raster chuyển đổi sang dạng dữ liệu khác, dạng vector. Ví dụ nh− chuyển đổi ảnh của các công trình thành các tập dữ liệu đối t−ợng là các ngôi nhà d−ới dạng các đa giác (hình 2.13). Độ phân giải 41
8. của các ảnh trong tập dữ liệu raster ảnh h−ởng lớn tới độ chính xác của dữ liệu chuyển đổi dạng vector. Phép phân tích raster. Phần mềm GIS cho tập dữ liệu raster là những công cụ thao tác mạnh mẽ. Sau đây là một số công việc triển khai: • Chuyển đổi không gian: Tập dữ liệu raster có thể chuyển chỗ, uốn cong, kéo trẹo cho vừa khít vớivị trí không gian chính xác. Nó còn có thể Hình 2.14. Chuyển đổi không gian chiếu lên hệ toạ độ. Kéo hình ảnh raster dãn nh− một tấm cao su (ruber sheeting) cho vừa với khu vực đ−ợc vector xác định. Biến đổi đa giác áp dụng ph−ơng trình chung cho khít với l−ới Hình 2.15. Sử dụng đất vector đ−ợc xác định bởi ng−ời sử dụng. • Trùng khớp không gian: Mô hình hoá đặc tính của khu đất, nh− là đấnh giá sự phù Hình 2.16. Tối −u hoá vị trí xây dựng đ−ờng hợp một kiểu phát triển nào đó cho khu đất nh− tối −u hoá vị trí của con đ−ờng mới, hoặc −ớc toán giá thành sử dụng đất, hoặc tính toán khối l−ợng công tác đất. • Quan hệ không gian: Mô hình hoá khoảng Hình 2.17. Quan hệ không gian cách tới điểm đặc biệt đ−ợc lựa chọn. Khoảng cách này đ−ợc đo đạc theo đ−ờng thẳng trong hình học O-cơlit, hoặc thời gian hành trình. • Phân tích bề mặt: Tìm kiếm những đặc tr−ng của bề mặt, nh− độ cao, tiếng ồn, hay sự tập Hình 2.18. Phân tích bề mặt trung ô nhiễm. Có thể tính toán độ dốc và h−ớng dốc củabề mặt hoặc xác định mức độ tiếng ồn ở vùng lân cận sân bay. 42
9. • Sự phát tán: Mô hình hoá sự di chuyển của một số nhân tố đặc biệt nh− sự lan rộng của lửa hay dự đoán sự lan rộng của dầu tràn. H ình 2.19. Sự phát tán • Chi phí nhỏ nhất: Có thể tính toán đ−ợc đ−ờng đi ngắn nhất dựa theo một tiêu chí định tr−ớc. 2.4. Mô hình hoá các đối t−ợng riêng rẽ. Các đối t−ợng địa lý nằm trên hoặc bên cạnh bề mặt trái đất. Các đối t−ợng địa lý riêng rẽ th−ờng thấy trong tự nhiên nh− sông ngòi, thực vật, trong xấy dựng nh− con đ−ờng, đ−ờng ống, công trình nhà cửa, còn có thể là sự phân chia đất đai nh− quốc gia, thửa đất, phân chia hành chính chính trị. Bản đồ mô hình hoá các đối t−ợng địa lý bằng điểm, đ−ờng, đa giác. - Điểm biểu diễn các đối t−ợng quá nhỏ không thể mô tả bằng đ−ờng hay một diện tích. - Đ−ờng biểu diễn các đối t−ợng địa lý quá hẹp không thể mô tả bằng một diện tích đ−ợc - Đa giác biểu diễn các đối t−ợng địa lý liên tục khá lớn. Một cặp toạ độ X,Y hệ toạ độ Decac tham chiếu tới vị trí trên thế giới. 2.4.1. Tập dữ liệu đối t−ợng. Trong tập hợp dữ liệu đối t−ợng, mỗi vị tí đ−ợc ghi với toạ độ X,Y. Điểm đ−ợc ghi với một cặp toạ độ X, Y. Đ−ờng đ−ợc ghi bằng một loạt điểm Hình 2.20. Toạ độ của điểm, đ−ờng, đa theo thứ tự. Đa giác đ−ợc ghi bằng giác một loạt các toạ độ X,Y dọc theo đ−ờng bao đóng kín khu vực. • Những đối t−ợng điểm: Điểm biểu diễn các đối t−ợng địa lý không có diện tích, không có chiều dài, hoặc những đối t−ợng quá nhỏ khi đ−ợc thể hiện trên bản đồ có tỷ lệ t−ơng ứng. 43
10. • Những đối t−ợng đ−ờng: Đ−ờng biểu diễn những đối t−ợng có chiều dài nh−ng không có diện tích, hoặc những đối t−ợng quá hẹp khi đ−ợng thể hiện trên tỷ lệ bản đồ t−ơng Hình 2.21. Các đối t−ợng điểm ứng. • Những đối t−ợng đa giác: Đa giác dùng để biểu diễn những diện tích nh− quốc gia, vùng đất dân số, khu đất để bán, thổ Hình 2.22. Các đối t−ợng đ−ờng nh−ỡng, thửa đất, vùng sử dụng đất. Những đa giác cận kề một diện tích chỉ rõ đặc tính sử dụng của khu đất bao quanh. • Bản đồ chuyển tải các thông tin tới ng−ời sử dụng. Hình 2.23. Các đối t−ợng đa giác Bản đồ chứa đựng những thông tin về các đối t−ợng địa lý bằng cách sử dụng các biểu t−ợng và nhãn. Sau đây là một số cách thông th−ờng bản đồ biểu thị những thông tin thuộc tính của các đối t−ợng địa lý: - Đ−ờng đ−ợc vẽ với nhiều nét to nhỏ, kiểu nét, màu sắc khác nhau để biểu diễn những cấp đ−ờng hoặc đặc tính khác nhau của đ−ờng. - Suối và các mặt n−ớc th−ờng đ−ợc vẽ bằng màu xanh n−ớc biển để chỉ thị đó là n−ớc. - Những biểu t−ợng đặc biệt mô tả các đối t−ợng nh− đ−ờng sắt sân bay. - Các đ−ờng phố đ−ợc làm nhãn với tên đ−ờng. - Những công trình xây dựng đ−ợc làm nhãn với tên và chức năng của công trình. 2.4.2. Đối t−ợng, mạng, và hình học. Các đối t−ợng có thể có ba vai trò cơ bản trong mối quan hệ với nhau đó là đối t−ợng đơn giản, đối t−ợng trong mạng, các đối t−ợng có quan hệ hình học với nhau. • Những đối t−ợng đơn giản. 44
11. Những đối t−ợng đơn giản là những đối t−ợng không cần xác định mối quan hệ với các đối t−ợng khác hoặc có quan hệ hình học với đối t−ợng kề bên. Hình 2.24. Các đối t−ợng đơn giản • Những đối t−ợng mạng. Các đối t−ợng có thể đ−ợc nối với nhau trong một mạng. Một mạng bao gồm có cạnh các cạnh Hình 2.25. Các đối t−ợng mạng đ−ợc bắt đầu và kết thúc bởi các điểm. Một điểm có thể đ−ợc nối với nhiều cạnh. Tập hợp của các cạnh và điểm đ−ợc gọi là mạng hình học. • Chia sẻ cạnh trong quan hệ hình học. Hình 2.26. Quan hệ hình học của các đối Các đối yếu tố hình học của cácc đối t−ợng t−ợng có thể sửa chữa đ−ợc. Với các phần mềm nh− Armap editor, có thể xác định rõ tập hợp đối t−ợng và tạo ra các đối t−ợng hình học 2 chiều (phẳng). Đó là tập các đối t−ợng cơ bản: nút, cạnh và mặt. Khi ta sửa chữa (edit) một nút nối tiếp giữa các nút nh− băng cao su dãn ra hoặc co lại. Khi ta edit một cạnh, ta thay đổi hình dạng của hai nặt cùng một lúc. 2.4.3. Các đối t−ợng và bản đồ. Các hình mẫu (feature) là các đối t−ợng trên bản đồ. Bản đồ có tỷ lệ nên ta có thể xác định đ−ợc kích th−ớc của các đối t−ợng: Hình 2.27. Công trình trên bản đồ điểm, đ−ờng, đa giác. Các công trình có thể đ−ợc vẽ nh− các đa giác trong tr−ờng hợp tỷ lệ lớn, hay chỉ là các điểm khi tỷ lệ nhỏ (hình 2.27). Chỗ đứng của các cây trên bản đồ có thể thể hiện riên từng cây một khi tỷ lệ bản đồ lớn, Hình 2.28. Cây trên bản đồ hay một polygon cho cả một vùng có trồng cây dày đặc khi tỷ lệ nhỏ(hình 2.28) 45
12. Một hệ thống suối có thể đ−ợc vẽ theo dạng rất nhiều điểm và các nhánh suối nhỏ khi bản đồ tỷ lệ lớn, hay đ−ợc vẽ là một đ−ờng và bỏ bớt đi các nhánh suối nhỏ (hình 2.29). Hình 2.29. Thể hiện suối trên bản đồ Nếu ta thay đổi kích th−ớc của đối t−ợng ở những tỷ lệ khác nhau, cần phải thiết lập cơ sở dữ liệu liên quan tới các lớp đối t−ợng khác nhau. Trong tr−ờng hợp đó, những cây đ−ợc liên kết với vị trí của khu rừng. Khi ta vẽ bản đồ, tỷ lệ xác định tập Hình 2.30. Cơ sở dữ liệu liên quan. hợp đối t−ợng đ−ợc vẽ 2.5. So sánh 3 ph−ơng pháp biểu diễn không gian. Tóm tắt lại, có 3 ph−ơng pháp cơ bản để biểu diễn không gian: vector, raster, tam giác. Mỗi ph−ơng pháp biểu diễn thích hợp với một lớp đặc tính của sự phân tích địa lý và kết xuất bản đồ. Những dữ liệu không gian này không phải là đ−ợc sử dụng đơn lẻ, cơ sở dữ liệu địa lý của bạn có thể bao gồm tất cả 3 loại dữ liệu cho việc sử dụng bản đồ một cách có hiệu quả. Một bản đồ có thể sử dụng một hay tất cả ba loại dữ liệu không gian để biểu thị. Thông th−ờng, dữ liệu raster là lớp đ−ợc lót xuống d−ới làm nền cho dữ liệu vector. Lớp dữ liệu raster cho ta hình ảnh thực trong phạm vi của lớp dữ liệu vector, trên đó ta có thể hoàn thiện những công việc kỹ thuật hay phân tích. Dữ liệu tam giác đôi khi cũng đ−ợc dùng nh− một lớp nền cho lớp dữ liệu vector cho ta thấy hình ảnh diện mạo của bề mặt trái đất. 46
13. So sánh 3 ph−ơng pháp biểu diễn không gian. Dữ liệu vector Dữ liệu Raster Dữ liệu tam giác TIN Hình 2 trang 58 Hình 3 trang 58 Modeling our World Modeling our World Dữ liệu vector nhằm mô hình Dữ liệu raster nhằm mô hình Tam giác TIN có hiệu quả Mục hoá các đối t−ợng địa lý riêng hoá các yếu tố địa lý liên tục khi biểu diễn bề mặt, có tiêu rẽ có hình dạng chính xác và và các hình ảnh trên mặt đất. thể biểu thị độ cao và ứng có biên giới. những tính chất khác nữa dụng ví dụ nh− sự tập trung. Chyển đổi từ không ảnh Chụp ảnh từ vệ tinh và từ Biên dịch từ dữ liệu không Tập hợp từ dữ liệu GPS. máy bay. ảnh. Số hoá từ bản đồ vẽ tay. Chuyển đổi từ dữ liệu TIN. Thu thập từ dữ liệu GPS. Vẽ trên bản đồ raster. Raster hoá từ dữ liệu vector Nhập các điểm với độ cao. Nguồn Vector hoá từ dữ liệu raster. Scan (quét ảnh) bản vẽ, từ Chuyển đổi từ đ−ờng đồng dữ liệu Vẽ đ−ờng đồng mức từ bản vẽ ảnh chụp. mức của dữ liệu vector. TIN. Biến đổi từ dữ liệu trắc địa. Nhập từ bản vẽ CAD Điểm đ−ợc l−u giữ với toạ độ Từ gốc toạ độ ở góc trái d−ới Mỗi nút của mạng TIN có L−u X,Y. Đ−ờng đ−ợc l−u nh− cùng của raster theo chiều giá trị toạ độ X,Y. giữ tuyến nối tiếp các điểm có toạ rộng và chiều cao, các điểm không độ X,Y. Đa giác đ−ợc l−u nh− ảnh (cell) đ−ợc xác định gian một đ−ờng khép kín. theo cị trí hàng và cột. Điểm biểu diễn các đối t−ợng Đối t−ợng điểm đ−ợc biểu Các giá trị Z của các điểm Mô tả nhỏ. Đ−ờng biểu diễn các đối diễn bằng một cell. Đ−ờng xác định hình dạng của đối t−ợng có chiều dài nh−ng bề đ−ợc biểu diễn bằng một mặt. Các đ−ờng gián đoạn t−ợng rộng hẹp. Đa giác biểu diễn loạt các điểm kề liền có biểu thị sự thay đổi trên bề các đối t−ợng trải rộng. cùng giá trị. Đa giác biểu thị mặt ví dự nh− suối, vv bằng một vùng các cell có cùng giá trị. Đ−ờng l−u giữ vệt liên kết các Những cell bên cạnh nhanh Mỗi tam giác đ−ợc liên kểt Liên nút. Đa giác l−u gữ các đa giác chóng đ−ợc định vị bằng với những tam giác khác kết hai bên của đ−ờng. l−ợng tăng giảm giá trị hàng bên cạnh nó. topo và cột. Che phủ bản đồ hình học Sự trùng hợp không gian. Độ cao, độ dốc, h−ớng. (topological map overlay). Sự cận kề. Đ−ờng đồng mức lấy ra từ Phân Vùng đệm (buuffer) và sự cận Phân tích bề mặt. bề mặt. tích kề. Sự phát tán. Mặt cắt dọc theo đ−ờng địa lý Đa giác mờ chồng và che phủ. đ−ờng đi ngắn nhất. Phân tích hiển thị những Vấn tin không gian và logic. yếu tố không nhìn thấy Địa chỉ mã hoá địa lý. đ−ợc. Phân tích mạng. Dữ liệu vector là cách tốt nhất Dữ liệu raster là tốt nhất khi Dữ liệu tam giác TIN là tốt Kết để vẽ hình dạng chính xác các thể hiện hình ảnh và các đối nhất cho việc biểu thị xuất đối t−ợng địa lý. Nh−ng không t−ợng với thuộc tính biến đổi phong phú bề mặt. Có thể bản đồ thích hợp khi thể hiện các yếu dần dần. Nó th−ờng không dùng màu sắc để biểu thị tố liên tục hay các đối t−ợng thích hợp với việc vẽ các đối cao độ, độ dốc, h−ớng, có biên giới không rõ ràng. t−ợng điểm và đ−ờng. phối cảnh 3 chiều. 47
14. 2.5.1. Lựa chọn dữ liệu biểu diễn không gian. Có nhiều tiêu chí để lựa chọn ph−ơng pháp biểu diễn không gian. Thông th−ờng sự lựa chọn là rõ ràng xuất phát từ dữ liệu có thể đ−ợc cung cấp và nhiệm vụ phân tích cần phải thực hiện. Nh−ng đôi khi nó lại không rõ ràng là loại dữ liệu nào cho ta biểu diễn tốt nhất. Bề mặt là một ví dụ rõ nhất: Có 2 ph−ơng pháp mạnh để biểu diễn bề mặt đó là dữ liệu raster và và dữ liệu TIN. Sự lựa chọn đòi hỏi nhiều công việc. D−ới đây là một vài vấn đề quan tâm khi lựa chọn dữ liệu biểu diễn. • Mục tiêu là đối t−ợng hay vị trí? Nếu ta mô hình hoá đối t−ợng riêng biệt với thuộc tính và quan hệ, dữ liệu vector biểu diễn tốt hơn cả. Nếu ta mô hình hoá đối t−ợng liên tục hay một hiện t−ợng, mô tả một đăc điểm bàng thuộc tính tại một vị trí, ta nên chọn lựa giữa raster và tam giác. Dữ liệu raster mô hình hoá một diện tích với dữ liệu thuộc tính đồng nhất bằng l−ới đều. Dữ liệu tam giác mô hình hoá diện tích với các điển và giá trị khác nhau với mật độ thay đổi. • Dữ liệu nào là có sẵn đ−ợc cung cấp dễ dàng? Đa số các tr−ờng hợp sự ảnh h−ởng đến sự lựa chọn dữ liệu biểu diễn là dữ liệu nào đã đ−ợc cung cấp. B−ớc đầu tiên của việc thiết kế GIS là ta phải khảo sát toàn bộ dữ liệu địa lý đã đ−ợc cung cấp. Khi tìm thấy dữ liệu phù hợp nhất, ta sẽ nhận định xem dữ liệu có thoả mãn hay cần tạo ra dữ liệu mới bằng các ph−ơng tiện nh− ảnh hàng không, dữ liệu thu thập GPS, hay số hoá bản đồ. Đôi khi ta phải lựa chọn chuyển đổi dữ liệu hiện có thành dạng khác. Ví dụ: nguồn dữ liệu tốt nhất cho việc nghiên cứu chuyển tải điện có thể quét ảnh bản đồ theo dạng raster. Để hoàn thiện sự phân tích cung cấp điện cũng nh− nghiên cứu môi tr−ờng, ta cần phải chuyển đổi dữ liệu raster sang dữ liệu vector. Ta phải cân nhắc chi phí và chất l−ợng đầu ra của sự chuyển đổi raster-to-vector, bằng những ph−ơng tiện khác thu thập dữ liệu. • Độ chính xác về vị trí của đối t−ợng đòi hỏi ra sao? Nếu cần xác định vị trí của đối t−ợng với độ chính xác cao, ta nên chọn dữ liệu vector để biểu diễn. Sự nhận biết và lựa chọn đối t−ợng sẽ dễ dàng khi ta sử dụng dữ liệu vector, toạ độ của đối t−ợng sẽ đ−ợc l−u giữ. Xác định vị trí của đối t−ợng ở dữ liệu raster có hạn chế bởi kích th−ớc của mỗi cell. Dữ liệu tam giác, chỉ có vị trí của điểm và đ−ờng gián đoạn là xác định đ−ợc 48
15. chính xác. Vị trí của đối t−ợng trong dữ liệu raster và tam giác nói chung là không rõ ràng. • Loại của đối t−ợng đòi hỏi mô hình hoá? Nếu ta mô hình hoá những đối t−ợng rộng với giá trị thay đổi theo thời gian, hoặc đối t−ợng đó có biên giới không rõ ràng, dữ liệu raster biểu diễn th−ờng là tốt nhất. Ví dụ nh− ta mô hình hoá cháy rừng theo thời gian, hoặc sự phát tán ô nhiễm trong n−ớc ngầm. Nếu ta mô hình hoá các đối t−ợng có đặc tính hình dạng của mặt trái đất nh− đỉnh núi, sống của dãy núi, con suối dữ liệu tam giác biểu diễn tốt nhất. Một số đối t−ợng tự nhiên đ−ợc biểu diễn tốt nhất bằng dữ liệu vector. Ví dụ nh− biểu diễn hệ thống sông ngòi. Nếu ta biểu diễn những dòng sông là lớp nền bản đồ, hoặc biểu diễn dòng giao thông của các con tàu trên sông nh− là một phần của sự phân tích giao thông thuỷ, ta nên chọn dữ liệu vector để thực hiện mục đích này. Nếu ta mô hình hoá những đối t−ợng nhân tạo trên mặt đất, dữ liệu vector th−ờng biểu diễn tốt hơn cả. Những công trình nhân tạo có hình dạng xác định rõ ràng bằng các đ−ờng thẳng hoặc đ−ờng cong, đồng thời công trình nhân tạo th−ờng đ−ợc xác định vị trí bằng trắc địa với độ cao chính xác. • Loại hình học liên kết đòi hỏi phải có? Một số đối t−ợng không có dạng hình học nhất định và đ−ợc đặt một cách tự do trên một vùng địa lý. Ví dụ, một diện tích xác định nới c− trú của một loài động vật hoang dã không xác định, chồng lên vùng c− trú của loài động vật khác và nó không có mối quan hệ hình học với các đối t−ợng khác. Cũng nh− trên, nhiều đối t−ợng nguyên thuỷ đ−ợc l−u giữ trong GIS phục vụ cho mục đích làm lớp nền trên bản đồ, nó th−ờng không cần l−u giữ định dạng hình học. Nếu một con đ−ờng đ−ợc sử dụng làm lớp nền trong GIS nó chỉ là một đối t−ợng đơn giản. Nếu con đ−ờng là tuyến cho sự phân tích hệ thống giao thông, nó cần là một đối t−ợng hình học xác định. Một GIS có thể có mạng (networks) và hình học (topologies), nó thu đ−ợc thông qua dữ liệu vector. Mạng biểu diễn mạng l−ới đ−ờng, sông, những dịch vụ công cộng. Hình học biểu diễn những tập hợp của diện tích ở đó mỗi điểm trên một diện tích đ−ợc bao phủ một cách chính xác bằng một đa giác. • Loại phân tích đòi hỏi tiến hành? 49
16. Nếu ta phân tích một bề mặt, dữ liệu tam giác hỗ trợ phạm vi rộng lớn những nhiệm vụ đòi hỏi. Tuy vậy, dữ liệu raster cũng biểu diễn một số nhiệm vụ mô hình hoá bề mặt. Dữ liệu tam giác hỗ trợ việc tính toán khối l−ợng công tác đất giữa 2 diện tích đào và đắp đất, cho biết khu vực nhìn thấy đ−ợc từ một điểm trên bề mặt, xác định cao độ, độ dốc, h−ớng dốc tại bất kỳ điểm nào trên bề mặt, tạo ra mặt cắt dọc địa hình theo một tuyến xác định đ−ợc sử dụng trong thiết kế đ−ờng. Nếu phân tích sự phát tán của một đối t−ợng theo thời gian nh− khói bụi ô nhiễm ta nên chọn dữ liệu raster. Dữ liệu raster còn hỗ trợ xác định khoảng cạn kề của đối t−ợng, đ−ờng đi ngắn nhất. Sự che phủ nhanh của dữ liệu raster phù hợp với sự phân tích. Nếu nh− cần xác định vị trí tối −u để dặt cơ sở dịch vụ, cửa hàng, nghiên cứu dòng chảy trên mạng l−ới, điều hành sổ sách địa bạ, liên quan tới địa chỉ b−u điện trên bản đồ, hoặc vấn tin trên bản đồ, bạn nên chọn dữ liệu vector. Dữ liệu vector cho phép phân tích những yếu tố dựa trên quan hệ không gian của các đối t−ợng nh− là sự lân cận, kế tiếp, và những quan hệ hình học nh− ng−ợc dòng, nối tiếp. • Dạng bản đồ nào cần in ra? Dạng và chất l−ợng biểu diễn của bản đồ cần phải xuất là yếu tố xác định loại dữ liệu nào cần thiết cho công việc. Dữ liệu raster và dữ liệu tam giác tạo ra các bản đồ có những vùng có những dữ liệu thuộc tính khác nhau. Dữ liệu vector tạo ra các bản đồ có những đối t−ợng chi tiết chính xác. Bản đồ sẽ gợi ý cho ta sử dụng đối t−ợng điểm, đ−ờng, hay đa giác để thể hiện đối t−ợng đ−ợc thực hiện bởi dữ liệu raster là tốt nhất. Ví dụ nh−, tỷ lệ bản đồ sẽ gợi ý cho ta thể hiện công trình bằng điểm hay đa giác, con sông đ−ợc thể hiện bằng đ−ờng hay đa giác. 2.5.2. Kết luận. Có 3 dạng dữ liệu raster, vector, tam giác, dùng để mô hình hoá trái đất. Trong 3 dạng dữ liệu trên, dữ liệu dạng raster và vector là dạng chủ yếu, tất cả các phần mềm GIS đều sử dụng để thực hiện công việc mô hình hoá. Phần mềm Arinfo cho ta khả năng mạnh mẽ để thực hiện các công việc của mình, tuy nhiên sự sử dụng sẽ phức tạp hơn, nó thích hợp cho một cơ sở dữ liệu lớn với số ng−ời dùng (user) đông đảo. Arcinfo sử dụng cả 3 loại dữ liệu raster, vector, tam giác để mô hình hoá trái đất. 50
17. Phần mềm Mapinfo gọn nhẹ hơn sử dụng t−ơng đối đơn giản và thông dụng, nó thích hợp với cơ sở dữ liệu nhỏ gọn. Mapinfo sử dụng hai loại dữ liệu là raster và vector. Để nhanh chóng tiếp cận GIS vào công việc, giáo trình này sẽ dùng phần mềm mapinfo để thực hiện các ví dụ. Để thuận lợi cho việc ứng dụng, chúng ta cũng nên bắt đầu công việc của mình với mapinfo. Chúng ta sẽ nhanh chóng nắm đ−ợc những nội dung cơ bản của GIS và vận dụng ngay đ−ợc vào công việc của mình. 51