Đề cương môn viễn thám và Gis

Đề cương môn viễn thám và Gis. Câu1. Khái niệm viễn thám. Trình bày các thành phần cơ bản và quá trình của viễn thám.  Khỏi niệm. Viễn thám (Remote sensing - tiếng Anh) được hiểu là một khoa học và nghệ thuật để thu nhận thông tin về một đối tượng, một khu vực hoặc một hiện tượng thông qua việc phân tích tài liệu thu nhận được bằng các phương tiện. Những phương tiện này không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tượng, khu vực hoặc với hiện tựợng đựợc nghiên cứu. Khỏi niệm ngắn gọn: Viễn thám là thăm dò từ xa về một đối tựợng hoặc một hiện tựợng mà không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tựợng hoặc hiện tựợng đó.  Thành phần cơ bản và quỏ trỡnh của viễn thỏm. - Thành phần cơ bản của viễn thỏm gồm cú: 1. Bộ cảm ( sensoz): đầu thu tớn hiệu. 2. Vật mang: mỏy bay, vệ tinh, tàu vũ trụ. 3. Nguồn năng lượng: mặt trời. 4. Đối tượng nghiờn cứu. Cỏc thụng tin viễn thám được sử dụng, phõn tớch, giải đoán để cung cấp cho người sử dụng. - Quỏ trỡnh viễn thỏm. Nguồn năng lượng truyền qua khớ quyển( bị tỏn xạ, bức xạ, phỏt xạ, mất năng lượng) , truyền xuống bề mặt trái đất, bị phản xạ, bức xạ lên, được bộ cảm tiếp nhận , truyền đến bộ thu, sau đó được sử lý phõn tớch và giải đoán, đưa cho người sử dụngCâu 2. Ảnh hưởng của khí quyển đến sự truyền sáng. .Những ảnh hưởng của khí quyển tới ánh sáng khi truyền qua nó là tán xạ , truyền qua và hấp thụ ánh sáng của khí quyển. Những ảnh hưởng nào coa nguyên nhân là sự tương tác cơ học các thành phần khí quyển với ánh sáng. a. Sự tán xạ. + Sự tán xạ - sự lan truyền của ánh sáng không định hướng - gây bởi các phần tử nhỏ bé + Đặc điểm: - Độ dài bước sóng không đổi - Theo mọi hướng - Không đồng nhất về cường độ + Tuỳ thuộc mật độ, bề dày, độ dài bước sóng... - Tán xạ Rayleigh - Tán xạ Mie - Tán xạ không chọn lọc Tán xạ Rayleigh Tán xạ Mie Tán xạ không chọn lọc + Sự tán xạ - Tán xạ Rayleigh: dhạt << λ . do các hạt bụi, phân tử Nitơ hoặc Ôxy . xảy ra ở phần trên cùng của khí quyển . phân tán gần như đồng đều . hiệu ứng: + Sự tán xạ - Tán xạ Rayleigh: dhạt << λ . do các hạt bụi, phân tử Nitơ hoặc Ôxy . xảy ra ở phần trên cùng của khí quyển . phân tán gần như đồng đều . hiệu ứng: + Sự tán xạ - Tán xạ không chọn lọc dhạt > λ . do các giọt nước, các hạt bụi . bước sóng của tia sáng phân tán đồng đều blue + green + red = white light Hiệu ứng: bầu trời xanh, mặt trời đỏ. hiệu ứng: mây trắng, sương mù trắng b. Sự hấp thụ. Ngược lại với hiện tượng tán xạ, sự hấp thụ khí quyển là nguyên nhân dẫn đến sự giảm năng lượng của ánh sáng. Khi truyền qua khí quyển, hiện tượng hấp thụ năng lượng xảy ra khác nhau đối với bước sóng nhất định . Hiện tượng hấp thụ năng lượng mặt trời xảy ra của khí quyển là hơi nước, khí cacbonic và khí ozon. Trong dải phổ, vùng dải sóng mà ở đó năng lượng hấp thụ ít nhất và được truyền qua nhiều nhất thì gọi là các cửa sổ khí quyển. c. Sự truyền qua. Ngoài phần bị hấp thụ hoặc tán xạ, năng lượng ánh sáng mặt trời có thể được truyền qua khí quyển để đến Trái Đất. Cửa sổ khí quyển là vùng mà năng lượng ánh sáng có thể truyền qua và đến các đối tượng trên mặt đất, nhờ đó các máy cảm biến có thể ghi nhận được nặng lượng ánh sáng. Câu 3: Trình bày độ phân giải của ảnh viễn thám. a. Độ phân giải không gian . Là kích thước nhỏ nhất của một vật mà bộ cảm ghi phổ có thể nhận biết được về mỗi đối tượng không gian phân ccahs được với đối tượng không gian khác nằm kề đối tượng này. Độ lớn của pixel ảnh sẽ là đơn vị xác định độ phân giải không gian của hệ thống. b. Độ phân giải phổ. Là số lượng kênh ảnh của ảnh số về một khu vực nào đó. Số lượng kênh ảnh phụ thuộc vào khả năng ghi phổ của thiết bị ghi hay bộ cảm. Độ phân giải hổ cao nhất đạt đến hơn 200 kênh gọi là hệ siêu phổ. c. Độ phân giải thời gian. Là khả năng chụp lặp lại của vệ tinh ở cùng 1 vị trí. Không liên quan đếnbộ cảm mà liên quan đến chu kỳ của vệ tinh. d. Độ phân giải bức xạ. Là khả năng phân biệt độ xám của các đối tượng trên ảnh. Câu 4. Trình bày phổ phản xạ của 1 số đối tượng tự nhiên. Thực vật: Thực vật khỏe mạnh chứa nhiều diệp lục tố ( Cholorophil ) , phản xạ rất mạnh ánh sánh có bước song từ 0,45- 0, 67 μm (tương ứng với dải sóng màu lục – green) vì vậy ta nhìn thấy chúng có màu xanh lục. Khi diệp lục giảm đi , thuwch vật chuyển sang có khả năng phản xạ ánh sáng đỏ trội hơn. Kết quả là lá cây có màu vàng ( do tổ hợp màu Green và red) hoặc đỏ hẳn ( rừng khí hậu lạnh, hiện tượng này khá phổ biến khi mùa đông đến) ở vùng hồng ngoại hản xạ ( từ 0.7- 1.3 μm ) thực vật có khả năng phản xạ rất mạnh, khi sang vùng hồng ngoại nhiệt và vi sóng ( Microwwave) một số cự trị ở vúng sóng dài làm tăng khả năng hấp thụ ánh sáng của hơi nước trong lá, khả năng phản xạ của chúng giảm đi rõ rệt và ngược lại, khả năng hấp thụ ánh sáng tăng lên. Nước: Nước trong chỉ phản xạ mạnh ở vùng sóng của tia xanh lơ ( blue) và yếu dần khi sang vùng xanh lục ( green ), triệt tiêu ở cuối sóng đỏ( red) . Khi nước bị đục, khả năng phản xạ tăng lên do ảnh hưởng sự tán xạ vật chất lơ lửng. Sự thay đổi về tính chất của nước ( độ đục, độ mặn, độ sâu, hàm lượng Clorophyl,,..... ) đều ảnh hưởng đến tính chất phổ của chúng. Nghĩa là khi tính chất nước thay đổi , hình dạng đường cong và giá trị phổ phản xạ sẽ bị thay đổi. Đất khô: Đường cong phổ phản xạ của đất khô tương đối đơn giản, ít có nhuwngc cựa đại và cực tiểu một cách rõ ràng, lý do chính là các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất phổ của đất khá hức tạp và không rõ ràng như ở thực vật. Các yếu tố ảnh hưởng đến đường cong phổ hản xạ của đất là: lượng ẩm , cấu trúc của đất ( tỉ lệ cát , bột , sét ) , độ nhám bề mặt, sự có mặt của các oxy kim loại , hàm lượng các chất hữu cơ.... các yếu tố đó làm cho đường cong phổ phản xạ biến đôngh rất nhiều quanh đường cong có giá trị trung bình. Tuy nhiên quy luật chung là giá trị phổ phản xạ của đất tăng dần về phía sóng có bước sóng dài. Cực trị hập thụ phổ do hơi nước cũng diễn ra ở vùng 1,4; 1,9; 2,7 μm. Đá: Đá cấu tạo khối, khô có dạng đường cong phổ phản xạ tương tự như của đất song giá trị tuyệt đối đường cong hơn. Tuy nhiên , cũng như đối với đất, sự biến động của giá trị phổ phản xạ phụ thuộc vào nhiều yếu tố của đá : mức độ chứa nước, cấu trúc, cấu tạo, thành hần khoáng vật , tình trạng bề mặt..... Nôi dung 5. Phân loại viễn thám theo: nguồn năng lượng, quỹ đạo, bước sóng của phổ điện từ, .  Phân loại theo nguôn tín hiệu: - Viễn thám chủ động: nguồn tia tới là tia sáng phát ra từ các thiết bị nhân tạo, thường là các máy phát đặt trên các thiết bị bay. - Viễn thám bị động: nguồn phát bức xạ là mặt trời hoặc từ các vật chất tự nhiên.  Phân loại theo đặc điểm quỹ đạo: - Vệ tinh địa tĩnh: là vệ tinh có tốc độ góc quay bằng tốc độ góc quay của trái đất, nghĩa là vị trí tương đối của vệ tinh so với trái đất là đứng yên. - Vệ tinh quỹ đạo cực (hay gần cực): là vệ tinh có mặt phẳng quỹ đạo vuông góc hoặc gần vuông góc so với mặt phẳng xích đạo của trái đất. Tốc độ quay của vệ tinh khác với tốc độ quay của trái đất và được thiết kế riêng sao cho thời gian thu ảnh trên mỗi vùng lãnh thổ trên mặt đất là cùng giờ địa phương và thời gian thu lặp lại là cố định đối với 1 vệ tinh (ví dụ LANDSAT 7 là 16 ngày, SPOT là 26 ngày).  Phân loại theo bước sóng: - Viễn thám trong dải sóng nhìn thấy và hồng ngoại: mặt trời là nguồn năng lượng chính. Ngoài ra, công nghệ LiDAR sử dụng tia lazer là trường hợp ngoại lệ sử dụng năng lượng chủ động. - Viễn thám hồng ngoại nhiệt: nguồn năng lượng sử dụng là bức xạ nhiệt do chính vật thể phát ra. - Viễn thám siêu cao tần: sử dụng bức xạ siêu cao tần có bước sóng từ một đến vài chục centimet. Kỹ thuật Radar thuộc viễn thám siêu cao tần chủ động. Nguồn năng lượng bị động do chính vật thể phát ra. Nôi dung 6. Khái niệm ảnh số, FOV, IFOV, ảnh toàn sắc, ảnh đa phổ, phương pháp lưu trữ ảnh số  Ảnh số: là ma trận không gian của tập hợp các pixel được sắp xếp theo hàng và cột  FOV (trường nhìn): là góc nhìn tối đa mà bộ cảm có thể thu được sóng điện tử. Khoảng không gian trên mặt đất do FOV tạo nên chính là bề mặt rộng tuyến bay  IFOV (trường nhìn không đổi): là góc không gian tương ứng với một đơn vị chia mẫu trên mặt đất. Thông tin ghi được trong IFOV tương ứng với giá trị của pixel  Ảnh toàn sắc: là ảnh chỉ bao gồm một kênh phổ  Ảnh đa phổ: là ảnh bao gồm nhiều kênh phổ, mỗi kênh phổ có bước sóng khác nhau  Phương pháp lưu trữ ảnh số: Dữ liệu ảnh số được lưu trữ trên băng từ tương thích cho máy tính CCT (Computer Compatible Tape ) hoặc trên CD-ROM dưới khuôn dạng của các tệp ảnh số mà máy tính có thể đọc được. Thông thường dữ liệu trên băng từ ghi nhận về một vùng chụp bao gồm 3 tệp thông tin chính sau: 1. Tệp đầu ghi nhận thông tin chú giải về dữ liệu còn gọi là tệp header 2. Tệp thứ hai ghi nhận thông tin về chú giải như nắn chỉn phổ hoặc nắn chỉnh hình học, cấu trúc của tệp (cách lưu trữ ) 3. Tệp chính có độ lớn nhất gọi là tệp dữ liệu Dữ liệu ảnh số cấu thành từ 3 tệp này thông thường được lưu trữ theo các cấu trúc khác nhau là: BSQ, BIL hoặc BIP Nội dung 7. Trình bày quy trình và nguyên tắc về yếu tố ảnh trong giải đoán ảnh bằng mắt thường.  Quy trình: 1. Chuẩn bị ảnh: Tập hợp tư liệu ảnh và đọc các thông tin liên quan 2. Đọc ảnh: Khóa đoán đọc ảnh 3. Đo đạc ảnh: Đo các thông số trên ảnh 4. Phân tích ảnh: Phân loại và đánh giá đối tượng 5. Lập bản đồ chuyên đề: Hiển thị kết quả đoán đọc dưới dạng bản đồ  Nguyên tắc: dựa trên các yếu tố ảnh và các yếu tố địa kỹ thuật 1. Các yếu tố ảnh:  Tông ảnh: tổng hợp lượng ánh sáng được phản xạ về từ mặt đối tượng  Hình dạng: gồm: hình ảnh bên ngoài, hình ảnh 2 chiều, nét chung nhất hoặc đặc thù của đối tượng  Kích thước: thông số về độ lớn, dài, rộng của đối tượng có liên quan đến tỉ lệ ảnh  Mẫu (cấu trúc): là sự sắp xếp trong không gian theo một quy luật đặc trưng  Kiến trúc: là tần số biến đổi độ sáng trên ảnh, tập hợp đặc điểm của hình ảnh  Bóng: là phần bị che lấp, cho phép xác định độ cao tương đối, hiển thị màu đen trên ảnh đen trắng và màu sẫm đến đen trên ảnh màu  Vị trí: là vị trí không gian của đối tượng nghiên cứu, cùng một dấu hiệu ảnh nhưng với vị trí khác nhau cho các đối tượng khác nhau  Màu: gồm màu thật và màu giả giúp phân biệt đối tượng cùng tông ảnh trên ảnh đen trắng 2. Các yếu tố địa kỹ thuật (tự nhiên):  Mạng lưới thủy văn: + Kiểu mạng lưới: cho biết dạng địa hình, cấu trúc địa hình, độ dốc + Mật độ: cho biết mức độ chia cắt địa hình  Hệ thống khe nứt + Cần biết: hướng, mật độ, hình dạng, độ lớn Ví dụ các yếu tố dạng tuyến: sông, đoạn sông thẳng, các bờ biển thẳng dài  Hiện trạng sử dụng đất + Vừa là mục tiêu vừa là dấu hiệu + Cung cấp các thông tin gián tiếp và quan trọng trong việc xác định các đối tượng  Dạng địa hình + Cho phép nhận biết các yếu tố sơ bộ + Định hướng phân tích giải đoán ảnh Vd: đồng bằng, đồi núi, thềm sông  Thực vật Kiểu thực vật, mức độ phát triển của thực vật cho phép xác định các yếu tố tự nhiên dưới nó như loại đất, mức độ ẩm, độ sâu mực nước ngầm và kể cả chất lượng nước Nội dung 8. Khái niệm phân loại ảnh có kiểm định? Vẽ sơ đồ và trình bày quá trình phân loại ảnh có kiểm định.  Phân loại ảnh có kiểm định: Phân chia một cách có kiểm định các giá trị DN của các pixel ảnh theo từng nhóm đơn vị lớp phủ mặt đất  Sơ đồ  Quá trình phân loại có kiểm định - Xác định lớp đối tượng Phụ thuộc vào mục tiêu và đặc điểm của khu vực nghiên cứu Các lớp đối tượng phải được xác định rõ - Lựa chọn vùng mẫu: Sử dụng nguồn tư liệu bổ sung Vùng mẫu: chắc chắn chính xác và đủ lớn Số lượng vùng mẫu: đủ lớn, phân bố đều, tránh chọn ở biên, khu vực “mixed pixel” - Tính toán các chỉ số thống kê - Chọn thuật toán phân loại: thông qua các tham số thống kê các đặc trưng phổ của ảnh để gán và phân loại pixel, có thể dùng MINDIS hoặc MLC - Kiểm định kết quả: kiểm tra kết quá nếu đúng ta sẽ lập bản đồ phân loại, nếu sai, lựa chọn lại vùng mẫu và tính toán lại. Câu 9: Khái niệm phân loại ảnh không kiểm định. Vẽ sơ đồ và trình bày quá trình phân loại ảnh không kiểm định. - Khái niệm phân loại ảnh không kiểm định. Là việc phân loại thuần túy theo tính chất phổ mà không biết rõ tên hay tính chất của lớp phổ đó và việc đặt tên chỉ là tương đối. - Vẽ sơ đồ. Ảnh số ↓ Xác định số lớp đối tượng ↓ Tách biệt dữ liệu thành các nhóm ↓ Phân nhóm dữ liệu ↓ Gán nhãn cho từng cụm ↓ Kiểm định kết quả ↓ Lập bản đồ phân loại - Trình bày quá trình phân loại ảnh không kiểm định. Bước 1: Chuẩn bị ảnh cần phân tích. Bước 2: Phụ thuộc vào mục tiêu và đặc điểm của khu vực nghiên cứu phân lớp phổ một cách tương đối với tài liệu mặt đất. Bước 3: Dựa vào số khoảng phổ đồng nhất xác định một cách tương đối số lượng các nhóm phổ. Bước 4: Có 2 cách để phân nhóm dữ liệu: định ra số lượng phổ nhiều nhất trong phân loại. C1: sử dụng máy tự phân loại theo đối tượng. C2: dựa trên mẫu nhóm phổ của biểu đồ phân bố phổ . Bước 5: Gắn từng nhóm phổ với đối tượng không gian thực và đặt tên cho chúng qua việc khảo sát thực địa hoặc đối sánh trên bản đồ. Bước 6: Sử dụng thuật toán phân loại : ISO Data, Kmean. - Thuật toán Kmean:  Lựa chọn ngẫu nhiên các lớp đối tượng. (tính toán trọng tâm các lớp)  Hình thành lớp mới.  Tính toán khoảng cách từ các pixel đến trọng tâm các lớp mới.  Lặp lại cho đến khi khoảng cách giữa các nhóm đối tượng là không đổi.  Các tham số phải được xác định trước. N – số lần tối đa các đối tượng sẽ phân loại. M – số lần lặp tối đa. T – ngưỡng thay đổi (là ngưỡng mà sau mỗi lần lặp %pixel của các nhóm không vượt quá T) Lưu ý: Nếu quá trình kiểm định không đưa ra kết quả đúng ta quay lại bước 3 để tiến hành lại. Bước 7: Biểu thị kết quả thu được dưới dạng bản đồ. Câu 10: Khái niệm bản đồ, trình bày các đặc tính của bản đồ. - Khái niệm bản đồ. Là sự chuyển đổi toạ độ của một bề mặt không gian bằng phẳng trên quả đất về một lưới chiếu phẳng. Có hai loại bản đồ chính: - Bản đồ giấy vẽ tay .  Vẽ tay  CSDL quan trọng để thu thập . - Bản đồ số.  dữ liệu, mã hoá thông tin.  tổ chức các dữ liệu lưu trên thiết bị, thể hiện dưới dạng bản đồ. - Các đặc tính của bản đồ: – Đặc tính biểu thị : tức các dữ liệu lưu trên thiết bị, thể hiện dưới dạng bản đồ .  Đặc tính điểm: là sự thể hiện sự định vị độc nhất đặc trưng cho một vật thể trên bản đồ có đường biên hay hình dáng quá nhỏ không thể thể hiện thành một đường hay vùng mà phải dùng một ký hiệu đặc biệu hay nhãn để thể hiện vị trí điểm.  Đặc tính đường: là chuỗi tọa độ liên tiếp nối liền nhau để thể hiện cho các vật thể có hình dạng tuyến tính nhưng quá hẹp để có thể thể hiện thành vùng hoặc thể hiện đặc tính địa lý không có chiều rộng như các đường đồng mức.  Đặc tính vùng: thể hiện sự khép kín đường biên của một vùng tương đối đồng nhất trên bản đồ. – Đặc tính đặc thù:  Tỷ lệ: là sự phóng to hay thu nhỏ theo yêu cầu một vùng của trái đất trên một bản đồ để thể hiện tỷ lệ khoảng cách trên một trang bản đồ hay một ảnh đến chiều dài thực tế trên trái đất. Tỷ lệ càng lớn biểu đồ càng chi tiết.  Độ phân giải: là sự thể hiện chính xác , rõ ràng về vị trí hình dạng của các đặc tính biểu đồ đã được xác định với một tỷ lệ đã cho trước.  Độ chính xác: sự thể hiện độ chính xác của các điểm và đường trên trang bản đồ.  Vùng phủ bản đồ: vùng trên bề mặt trái đất, giới hạn phần phủ trùm của vùng đó. Câu 11: Trình bày 6 chức năng, nhiệm vụ của GIS. 1. Nhập dữ liệu. Các dữ liệu được thu nhận từ nhiều nguồn khác nhau từ các cơ sở dữ liệu đã có sẵn , các dữ liệu không gian có chứa các thuộc tính như dữ liệu thô, số liệu thí nghiệm phải được chuyển sang dạng dữ liệu đầu vào của GIS. Các dữ liệu không gian như bản đồ giấy, file dữ liệu ảnh máy bay hoặc ảnh viễn thám hoặc các dữ liệu địa lý như tỷ lệ bản đồ, phép chiếu, vị trícũng phải được xác định và chuẩn háo để đưa vào hệ thống. 1.Lưu trữ. Là chức năng hoạt động quan trọng nhất của phần mềm, dữ liệu với các tính chất như vị trí, các liên kết, các thuộc tính như điểm đường vùng đại diện cho các thực thể trên bề mặt trái đất. 2. Truy vấn. Xác định được đối tượng dựa vào đặc tính cụ thể hoặc dựa trên các điều kiện đặc biệt. 3. Phân tích. Sử dụng các thông tin về thuộc tính để xác định đối tượng cần phân tích như : số lớp chồng xếp, khoảng cách,mạng lưới vật thể xung quanh 4. Hiển thị. Hiển thị dưới dạng bản đồ, ảnh, biểu đồ 5.Xuất dữ liệu. Sử dụng dưới dạng bản đồ giấy, file ảnh, tài liệu báo cáo Câu 12: Phép chiếu bản đồ là gì? Trình bày khái niệm, đặc điểm các phép chiếu cơ bản. - Phép chiếu bản đồ. Dùng để thể hiện toàn bộ hay một phần của bề mặt trái đất trên một mặt phẳng (2 chiều) hoặc một bề mặt 3 chiều. Đảm bảo các tính chất: đúng hướng, đúng vị trí tương đối giữa các điểm, đúng hình dạng,đúng diện tích và đúng khoảng cách. - Trình bày khái niệm, đặc điểm các phép chiếu cơ bản. Dựa vào hình dạng, vị trí của mặt chiếu người ta chia làm 2 loại phép chiếu:  Theo hình dạng: – Phép chiếu lập thể cực: chiếu bề mặt trái đất lên một mặt phẳng tiếp xúc với một điểm trên bề mặt trái đất. Kinh tuyến và các đường thẳng vĩ tuyến là các đường tròn đồng tâm hướng về phía cực điểm duy nhất không bị biến dạng là tiếp điểm. – Phép chiếu hình nón: các đường kinh độ vĩ độ được chiếu lên hình nón tiếp tuyến với địa cầu dọc theo hình trong nhỏ nào đó. Vĩ tuyến được chiếu thành các cung của các đường tròn đồng tâm, kinh tuyến được chiếu thành các tia mà góc ở giữa chúng đều nhau. – Phép chiếu hình trụ: thể hiện sự cắt hoặc giao của một hình trụ với hình cầu tạo ra đường tròn lớn như phép chiếu hình nón và có tính chất tương tự.  Theo vị trí: – Phép chiếu chuẩn: giao tuyến mặt chiếu hình trụ với trái đất tại xích đạo. Trục của hình nón trùng với trục của trái đất, giao điểm của mặt phẳng chiếu với trái đất tại cực. – Phép chiếu ngang: giao tuyến mặt chiếu hình trụ với trái đất tại kinh tuyến. Trục của hình nón vuông góc với trục của trái đất, giao điểm của mặt phẳng chiếu với trái đất tại điểm trên đường xích đạo. – Phép chiếu xiên: giao tuyến mặt chiếu hình trụ với trái đất tại các điểm khác hai trường hợp trên Trục của hình nón tạo thành góc với trục của trái đất. Nội dung 13. Khái niệm và đặc điểm các phép chiếu UTM, VN2000, GPS: khái niệm, nguyên lý xác định tọa độ điểm bằng GPS. Hệ thống phép chiếu UTM: K/n: -Phép chiếu hình trụ ngang thể hiện chính xác về khoảng cách và hình dạng bề mặt quả đất nên được sử dụng như một phương pháp chiếu chuẩn quốc tế (lưới chiếu UTM -Universal Tranverse Mercator). -Khi chọn phép chiếu trước hết phải xác định thuộc tính quan tâm: vị trí, hình dạng hay kích thước. Có thể chọn phép chiếu phù hợp cho các vùng sau: − chọn phép chiếu hình trụ cho các vùng nhiệt đới; − chọn phép chiếu hình nón cho các vùng ôn đới ; − chọn phép chiếu phẳng cho các vùng cực Bắc và cực Nam. Đặc điểm: -Phép chiếu này hầu như không làm biến dạng các vùng gần hai cực địa cầu. -Phép chiếu toàn cầu UTM chia bề mặt trái đất thành 60 múi theo vĩ tuyến mỗi múi 6 độ (o) và đánh số từ 1 đến 60 kể từ kinh độ 180 Tây. -Mỗi múi kéo dài từ vĩ độ 84 Nam đến 80 vĩ độ Bắc. Phép chiếu UTM còn chia bề mặt Trái đất thành các dải 8o từ đương xích đạo được gán với các ký tự từ C đến X, không sử dụng các ký tự I và O). Mỗi múi có kinh tuyến trục ví dụ múi 48o có kinh tuyến trục là 105o đông. K/n: Hệ tọa độ phẳng; Lưới chiếu nón đồng góc cho bản đồ 1/1.000.000; Lưới chiếu trụ ngang đồng góc UTM với múi chiếu 6o cho bản đồ địa hình cơ bản, bản đồ nền, bản đồ hành chính quốc gia ở các tỉ lệ từ 1/500.000 đến 1/25.000 có hệ số điều chỉnh biến động chiều dài ko = 0,9996; Lưới chiếu trụ ngang đồng góc UTM với múi chiếu 3o cho bản đồ cơ bản, bản đồ nền, bản đồ hành chính quốc gia từ 1/10.000 tới 1/2.000, (ko = 0,9999) Giá trị tọa độ điểm gốc được định vị phù hợp với lãnh thổ Việt nam; điểm gốc tọa độ quốc gia đặt tại Viện Nghiên cứu địa chính, đường Hoàng Quốc Việt, Hà nội. Đặc điểm: Trước khi có hệ qui chiếu VN-2000, do điều kiện lịch sử ở Việt nam đã từng sử dụng ba hệ qui chiếu khác nhau: (a) Ellipsoid qui chiếu Clark từ thời Pháp sử dụng cho cả đông dương, điểm gốc tại Hà nôi, sử dụng lưới chiếu tọa độ phẳng Bonne (giả nón đứng, đồng diện tích); (b) Hệ qui chiếu Ellipsoid Everest của Mỹ cho Nam Á, lưới chiếu tọa độ phẳng UTM ( trụ ngang cắt Ellipsoid, đồng góc); và (c) Hệ qui chiếu Ellipsoid Kravsovsky của Liên xô, lưới chiếu tọa độ Gausse- Kruger trụ ngang tiếp xúc ellipsoid, đồng góc) gọi là hệ qui chiếu Hà nội 72. Việc lựa chọn một hệ qui chiếu quốc gia mới là một yêu cầu cần thiết vì cả 3 hệ qui chiếu trên đều chưa thật phù hợp với địa phận lãnh thổ nước ta. Hệ qui chiếu VN-2000 có các thông số cụ thể như sau: Là hệ qui chiếu WGS-84 với kích thước: - Bán trục lớn a = 6378137,0 m - độ dẹt f = 1: 298,257223563 -Nguyên lý xác dịnh toạ độ của hệ thống GPS dựa trên công thức quãng đường = vận tốc x thời gian. Vệ tinh phát ra các tín hiệu bao gồm vị trí của chúng, thời điểm phát tín hiệu. Máy thu tính toán được khoảng cách từ các vệ tinh, giao điểm của các mặt cầu có tâm là các vệ tinh, bán kính là thời gian tín hiệu đi từ vệ tinh đến máy thu x vận tốc sóng điện từ là toạ độ điểm cần định vị Nội dung 14. Cấu trúc dữ liệu không gian trong GIS là gì? Trình bày khái niệm, đặc điểm của mô hình lưu trữ dữ liệu dạng vector (đường, điểm, vùng). Cấu trúc dữ liệu không gian trong GIS là dạng dữ liệu cơ bản. Dạng dữ liệu này bao gồm các thông tin có tính đồ họa chỉ rõ hình dạng, phạm vi không gian, vị trí địa lý của một thực thể trong thế giới thực được khái quát hóa thành các đặc tính địa lý như điểm, đường hay vùng trên bản đồ (ảnh) dưới dạng raster hoặc vector. Hình 3.6 Các dữ liệu vector dạng điểm đường vùng trong tọa độ phẳng x, y Cấu trúc dữ liệu vector (Hình 3.6) là một cố gắng nhằm thể hiện chính xác các đối tượng trong thể giới thực lên bản đồ số bằng giá trị liên tục của các cặp toạ độ và xác định chính xác mối quan hệ không gian của các đối tượng. Do khoảng không gian được coi là liên tục chứ không lấy giá trị trung bình nên tất cả các vị trí không gian, các khoảng cách và các kích thước đều có thể được hiển thị chính xác tỷ lệ theo giá trị thực của chúng. b. Các thực thể vector Cấu trúc vector coi vật thể tự nhiên là tập hợp các thực thể không gian cơ sở (điểm, đường và vùng) và tổ hợp giữa các thực thể này. Các thực thể sơ cấp này được thành lập trên cơ sở các cặp tọa độ của các điểm trong một hệ tọa độ nhất định. -Thực thể điểm (point entity) là các thực thể địa lý được xác định bởi một cặp toạ độ (x, y) duy nhất. Ngoài ra thì các dữ liệu mô tả điểm đó như ký hiệu, tên gọi, v.v. cũng được lưu trữ cùng với cặp tọa độ. -Thực thể đường (line entity, Hình 3.7) được định nghĩa như là tập hợp các thực thể địa lý được xác định bằng những đoạn thẳng có ít nhất hai hay nhiều cặp tọa độ. Một đường đơn giản nhất được tạo thành khi lưu trữ một điểm đầu và một điểm cuối (hai cặp tọa độ X, Y) và có thể kèm theo dữ liệu ký hiệu thể hiện nó trên bản đồ. Một cung (arc), một kênh (chain) hay một chuỗi (string) là tập hợp của n cặp toạ độ biểu thị một đường cong phức tạp và liên tục. Người ta có thể giảm đáng kể bộ nhớ lưu trữ nếu có thể biểu diễn các đường cong bằng phương trình toán học vì khi đó chỉ cần lưu trữ các thông số của phương trình thay vì lưu trữ giá trị của tất cả các cặp tọa độ. Khái niệm mạng lưới đường (line network): Tổ hợp các đoạn thẳng đơn giản không chứa các thông tin liên quan đến mạng lưới và sẽ gây khó khăn trong các phân tích đường tiêu nước, hệ thống giao thông, v.v. để có thể tạo được một cấu trúc mạng, trong đó máy tính dễ dàng xác định thứ tự liên quan giữa các đường, người ta phải tạo các quan hệ ràng buộc, chỉ ra sự liên kết giữa các đoạn thẳng. Line Network là sự tổ hợp của các đoạn thẳng gắn với sự thể hiện liên tục quan hệ giữa chúng qua các điểm nút (node). Các node cho biết hướng và xác định góc mà mỗi đoạn cong gắn vào nút, tạo thành mối quan hệ không gian cho toàn bộ mạng lưới (topology). Hình 3.7 là minh họa cho các loại đường khác nhau được thể hiện dạng vector trong GIS. -Thực thể vùng (polygon entity, region or area): Vùng là một đối tượng hình học 2 chiều. Vùng có thể là một đa giác đơn giản hay hợp của nhiều đa giác đơn giản. Do một vùng được cấu tạo từ các đa giác nên cấu trúc dữ liệu của đa giác phải ghi lại được sự hiển diện của các thành phần này và các phần tử cấu tạo nên đa giác. Hình 3.7 Các cấu trúc vector dạng đường Nội dung 15. Cấu trúc dữ liệu không gian trong GIS là gì? Trình bày khái niệm, đặc điểm của mô hình lưu trữ dữ liệu dạng rastor (đường, điểm, vùng Cấu trúc raster là một trong những cấu trúc dữ liệu đơn giản nhất trong GIS. Nó còn được có tên là “tổ chức theo ô vuông của dữ liệu không gian” (cellular organization of spatial data). Với cấu trúc dữ liệu dạng raster, giá trị của thông số nghiên cứu như độ cao địa hình (m), loại đất, sinh khối thực vật (gr/m2), v.v. phải được xác định cho từng ô lưới (cell) và ta sẽ có một ma trận không gian. Trong cấu trúc dữ liệu dạng raster (Hình 3.1), các vật thể trên bản đồ có thể được mô tả bằng các yếu tố (map feature) sau: − điểm (point): là một ô vuông (single grid cell). − đường (line): là tập hợp các ô lưới vuông nối tiếp nhau và sắp xếp theo một hướng nhất định. − Vùng (area): là một tập hợp khép kín các ô vuông lưới có vị trí liền kề nhau. Nội dung 16. Topology là gì? Trình bày các tính chất của topology. Ví dụ minh họa. Mối quan hệ không gian giữa các đối tượng trên bản đồ gọi là topology. đối với một bản đồ, topology cho biết sự liên tục giữa các đối tượng, chỉ ra các polygon kề nhau và có thể xác định được một đối tượng như một vùng là một tập hợp của một loạt đối tượng khác (đường). Sau đây là mô tả các tính chất của topology chủ yếu dựa trên tài liệu của ESRI (1991). Topology có 3 tính chất quan trọng: (a) tính liên tục (connectivity): các cung, đường nối với nhau tại các node; (b) tính tạo vùng (area definition): các cung hoặc đường (line) nối lần lượt với nhau thành vòng khép kín, bao quanh một vùng, tạo thành một polygon và (c) tính tiếp giáp (contiguity): các cung (arc) đều có hướng và được gán chỉ số biểu thị cho các polygon ở bên phải và bên trái nó. Tính liên tục (connectivity ) Hình 3.11 Tính chất liên tục của Topology Theo định nghĩa, vị trí tọa độ các điểm (các cặp x, y) dọc theo một cung (arc hoặc vertices) xác định hình dạng của cung (arc) đó. điểm cuối của cung (arc) gọi là điểm nút (node). Mỗi cung (arc) bao giờ cũng có 2 nút: nút đầu và nút cuối (from-node và to-node). Các arc chỉ có thể nối được với nhau tại các điểm cuối của chúng (điểm nút). để biết được cung nào nối với cung nào (những arc nào nối với nhau) thì chương trình máy tính chỉ việc rà soát dữ liệu ở tât cả các nút. Theo ví dụ trong Hình 3.11 thì các cung 3, 4, 5 và 6 gặp nhau tại nút số 3. Như vậy máy tính biết được có thể dịch chuyển dọc theo arc số 5 để đến arc số 3 vì chúng có chung một điểm node 3 nhưng không thể rẽ trực tiếp từ arc 5 đến arc 9 vì chúng không có chung điểm node nào cả. Tính tạo vùng Polygon là một chuỗi các cặp toạ độ x, y nối liên tiếp với nhau để khép kín thành một vùng. Tuy vậy trong tổ chức dự liệu vector được nhiều phần mềm GIS áp dụng, thì vùng (polygon) được lưu trữ dưới dạng tập hợp các cung (arc) bao quanh nó. Máy tính lưu trữ danh sách các vùng cùng với các cung tạo ra mỗi vùng, gọi là Polygon- Arc list, bên cạnh danh sách tọa độ các cung (Arc coordinate list) như thường lệ. Trong ví dụ Hình 3.12 thì polygon số 2 được xác định bởi các arc số 4, 6, 7, 10, và 8 tạo thành. Vì cung 8 tạo nên đa giác 6 là đa giác đảo nằm trong polygon số 2 nên trong danh sách đa giác-cung phải mã hóa thêm chữ số 0 trước số 8). Mặc dù tên chỉ số của một cung có thể xuất hiện nhiền lần trong Danh sách đa giác – Cung (trong Hình 3.12 thì tên cung số 6 có cả trong hàng cho vùng 2 và vùng 5), nhưng dữ liệu về cung đó chỉ được lưu trữ một lần duy nhất ở Danh sách Tọa độ Cung. Việc tổ chức lưu trữ 2 danh sách bảng riêng biệt (đa giác – cung và tọa độ cung) như vậy đã trách được sự lưu trữ lặp tọa độ các cung tạo nên đa giác và đồng thời bảo đảm được việc các đường biên chung của 2 đa giác cận kề bao giờ cũng trùng khít lên nhau. Hình 3.12 Tính chất tạo vùng của Topology Tính kề cận (contiguity) Vì mỗi một cung (arc) đều được gán cho chỉ số hướng (node đầu và node cuối) nên có thể lưu trữ danh sách liệt kê các polygon nào nằm ở bên phải hoặc bên trái của từng cung (arc), gọi là Danh sách trái-phải (Left- right list). Như vậy ta có thể nhận ra các polygon nào kề cận nhau nếu chúng có chung ít nhất một cung. Ví dụ trong Hình 3.13 ta thấy polygon số 2 ở bên trái và polygon số 5 ở bên phải của arc số 6. Qua đó máy tính nhận ra ngay polygons số 2 và số 5 là liền kề nhau. Phần mềm Arc/Info sử dụng polygon chỉ số 1 để lưu trữ vùng ở bên ngoài đường biên của bản đồ. Hình 3.13 Tính chất kề cận của Topology Nội dung 17. Mô hình số độ cao là gì? Sự cần thiết của mô hình số độ cao trong lĩnh vực tài nguyên nước. - Mô hình số độ cao là sự biểu diễn bằng số độ cao địa hình một khái niệm liên quan chặt chẽ đến GIS và được ứng dụng rộng rãi để giải quyết nhiều vấn đề thực tiễn không chỉ trong giới hạn biểu diễn địa hình - Sự cần thiết của mô hình số độ cao trong lĩnh vực tài nguyên nước là: + Qui hoạch đường, thuỷ lợi, các công trình chứa nước + Nghiên cứu thống kê, so sánh cho các vùng có địa hình khác nhau, so sánh được mực nước lưu lượng của mỗi vùng + Tính toán độ dốc, hình thái của địa hình, giải các bài toán về xói mòn địa mạo + Tích hợp với các dữ liệu khác về chất lượng nước, sử dụng nước, thảm thực vật để giải các bài toán về sinh thái. + Chồng xếp với ảnh vệ tinh hoặc ảnh hàng không phục vụ tốt hơn nữa công tác nghiên cứu ảnh, điều tra được vết lũ trước đây khi thực tế không có số liệu + Thay độ cao bằng các giá trị thuộc tính liên tục khác để mở rộng phạm vi nghiên cứu và ứng dụng có thể biểu thị trực quan dạng mặt cong cho vấn đề mực nước ngầm. Nội dung 18. Trình bày các phương pháp xây dựng mô hình số độ cao. - Các phương pháp xây dựng mô hình số độ cao: + Phương pháp chụp ảnh lập thể Phương pháp này dùng một dụng cụ chụp ảnh chuyên dùng để chụp một số lượng lớn điểm mẫu và các giá trị X, Y, Z từ các ảnh lập thể hay viễn thám, sau đó các điểm được nội suy thành các ô vuông đồng nhất. Phương pháp cần phải có kĩ thuật cao, tốn nhiều thời gian ở việc nội suy nên ít được áp dụng + Phương pháp nội suy từ các đường đồng mức Thực hiện qua các bước sau: B1: Số hóa các đường đồng mức có 2 cách là số hóa tự động quét ảnh và số hóa bằng thủ công B2: Raster hóa các đường đồng mức B3: Nội suy các đường đồng mức đã được raster hóa B4: Xây dựng mô hình TIN (sơ đồ Voronoi) Dạng bài tập: 1.-Mô tả phổ phản xạ của thực vật, nước trên ảnh SPOT -Sử dụng phương pháp phối màu RGB, hãy giải thích màu của chúng trên ảnh màu giả (NIR,G,B), biết đường cong phổ phản xạ của chúng được thể hiện như trên hình. 2. Chuyển định dạng Một ảnh vệ tinh X có 3 kênh phổ đang lưu trữ ở dạng BIP, hãy chuyển sang dạng BSQ Bài làm: 1. + Mô tả phổ phản xạ của thực vật, nước trên ảnh SPOT Thực vật: Thực vật khỏe mạnh chứa nhiều diệp lục tố ( Cholorophil ) , phản xạ rất mạnh ánh sánh có bước song từ 0,45- 0, 67 μm (tương ứng với dải sóng màu lục – green) vì vậy ta nhìn thấy chúng có màu xanh lục. Khi diệp lục giảm đi , thuwch vật chuyển sang có khả năng phản xạ ánh sáng đỏ trội hơn. Kết quả là lá cây có màu vàng ( do tổ hợp màu Green và red) hoặc đỏ hẳn ( rừng khí hậu lạnh, hiện tượng này khá phổ biến khi mùa đông đến) ở vùng hồng ngoại hản xạ ( từ 0.7- 1.3 μm ) thực vật có khả năng phản xạ rất mạnh, khi sang vùng hồng ngoại nhiệt và vi sóng ( Microwwave) một số cự trị ở vúng sóng dài làm tăng khả năng hấp thụ ánh sáng của hơi nước trong lá, khả năng phản xạ của chúng giảm đi rõ rệt và ngược lại, khả năng hấp thụ ánh sáng tăng lên. Nước: Nước trong chỉ phản xạ mạnh ở vùng sóng của tia xanh lơ ( blue) và yếu dần khi sang vùng xanh lục ( green ), triệt tiêu ở cuối sóng đỏ( red) . Khi nước bị đục, khả năng phản xạ tăng lên do ảnh hưởng sự tán xạ vật chất lơ lửng. Sự thay đổi về tính chất của nước ( độ đục, độ mặn, độ sâu, hàm lượng Clorophyl,,..... ) đều ảnh hưởng đến tính chất phổ của chúng. Nghĩa là khi tính chất nước thay đổi , hình dạng đường cong và giá trị phổ phản xạ sẽ bị thay đổi. Đất khô: Đường cong phổ phản xạ của đất khô tương đối đơn giản, ít có nhuwngc cựa đại và cực tiểu một cách rõ ràng, lý do chính là các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất phổ của đất khá hức tạp và không rõ ràng như ở thực vật. Các yếu tố ảnh hưởng đến đường cong phổ hản xạ của đất là: lượng ẩm , cấu trúc của đất ( tỉ lệ cát , bột , sét ) , độ nhám bề mặt, sự có mặt của các oxy kim loại , hàm lượng các chất hữu cơ.... các yếu tố đó làm cho đường cong phổ phản xạ biến đôngh rất nhiều quanh đường cong có giá trị trung bình. Tuy nhiên quy luật chung là giá trị phổ phản xạ của đất tăng dần về phía sóng có bước sóng dài. Cực trị hập thụ phổ do hơi nước cũng diễn ra ở vùng 1,4; 1,9; 2,7 μm. + Giải thích: - Xác định giải sóng NIR, G, B NIR= 0,75μm – 1,4μm G= 0,5μm-0,56μm B = 0,46μm-0,49μm - Trong hình vẽ các đối tượng phản xạ ở các bước sóng như sau: Thực vật phản xạ mạnh 0.78 μm-1.3 μm Nước phản xạ mạnh 0.65 μm-0.7 μm -Xác định các giá trị DN tương ứng mà đường cong phổ phản xạ của nước, thực vật của các băng IR, G, B Thực vật: (IR,G,B) = (175,75,50) Nước: (IR,G,B)= (45, 50, 40) -Thể hiện điểm trên lên cube màu R,G,B. Thực vật: (R,G,B) = (IR,G,B) = (175,75,50) màu đỏ Nước: (R,G,B)= (IR,G,B)= (45, 50, 40) màu xanh dương -Kết luận màu của đối tượng. Ở giải sóng IR,G,B( ảnh màu giả) thực vật có màu đỏ, nước có màu xanh nước biển 2. VD- Một ảnh vệ tinh X có 3 kênh phổ đang lưu trữ ở dạng BIP, hãy chuyển sang dạng BSQ 