Tài liệu Tích hợp GIS và viễn thám phục vụ công tác quản lý tài nguyên thiên nhiên

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN ĐỨC PHƯƠNG TÍCH HỢP GIS VÀ VIỄN THÁM PHỤC VỤ CÔNG TÁC QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN THIÊN NHIÊN LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN HÀ NỘI - 2012 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN ĐỨC PHƯƠNG TÍCH HỢP GIS VÀ VIỄN THÁM PHỤC VỤ CÔNG TÁC QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN THIÊN NHIÊN Ngành : Công nghệ thông tin Chuyên ngành : Hệ thống thông tin Mã số : 60 48 05 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HOC: PGS. TS. ĐẶNG VĂN ĐỨC HÀ NỘI - 2012 1 MỤC LỤC MỞ ĐẦU ......................................................................................................... 6 1. Cơ sở khoa học và tính thực tiễn của đề tài. ............................................ 6 2. Ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS ở trên thế giới ........................... 6 CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ GIS VÀ VIỄN THÁM ............................. 9 .................................................................................. 9 1.1.1. Khái niệm GIS................................................................................ 9 1.1.2. Các thành phần GIS ...................................................................... 11 1.1.3. Chức năng GIS ............................................................................ 13 1.2. Khái quát về Viễn thám ...................................................................... 17 1.2.1. ..................................................................................... 17 1.2.2. Đặc trưng của ảnh Viễn thám ........................................................ 18 1.2.3 Các loại ảnh viễn thám [3] ............................................................. 21 1.2.4. Khái quát về xử lý ảnh Viễn thám................................................. 27 1.2.5. Phân lớp ảnh viễn thám ................................................................. 30 CHƢƠNG 2. TÍCH HỢP GIS VÀ ẢNH VIỄN THÁM TRONG QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN THIÊN NHIÊN ................................................................... 33 2.1. Tích hợp là gì? .................................................................................... 33 2.2. Thu thập ảnh viễn thám bằng phần mềm Terralook ............................. 33 2.2.1 Giới thiệu về phần mềm Terralook ................................................ 33 2.3. Thu thập và tiền xử lý dữ liệu bản đồ véctơ ......................................... 34 2.4. Nắn chỉnh dữ liệu bản đồ .................................................................... 41 2.5. Đơn giản hóa dữ liệu không gian ........................................................ 42 2.6. Chồng ghép bản đồ ............................................................................. 43 1 2.7. Một số thuật toán minh họa ................................................................. 48 2.8. Các bước nghiên cứu biến động bằng phương pháp tích hợp GIS và viễn thám ........................................................................................................... 54 2.8.1. Xác định vấn đề nghiên cứu .......................................................... 54 2.8.2. Thu thập và nghiên cứu các thông số của ảnh vệ tinh..................... 54 2.7.3. Xử lý ảnh viễn thám ...................................................................... 54 2.8.3. Chồng ghép Vector xác định biến động ......................................... 55 CHƢƠNG 3 : THỬ NGHIỆM CHƢƠNG TRÌNH VỚI PHẦN MỀM ENVI VÀ ARCGIS....................................................................................... 56 3.1. Giới thiệu bài toán .............................................................................. 56 3.2. Giới thiệu về phần mềm ENVI ............................................................. 56 3.3. Giới thiệu về ArcGIS .......................................................................... 58 3.3.1. Giới thiệu về phần mềm ArcGIS................................................... 58 3.3.2. Giới thiệu về ArcMap ................................................................... 58 3.4. Vị trí vùng nghiên cứu ........................................................................ 60 3.5. Khái quát biến động vùng nghiên cứu ................................................. 61 3.5.1. Nắn chỉnh ảnh .............................................................................. 61 3.5.2. Phân lớp, giải đoán ảnh................................................................. 63 3.5.3. Biến đổi ảnh sang dạng Vector .................................................... 65 3.5.4. Chồng ghép bản đồ ....................................................................... 66 3.5.5. Tính diện tích biến động ................................................................ 68 KẾT LUẬN ................................................................................................... 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 70 2 DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ASTER Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer AVHRR Advanced Very High Resolution Radiometer BIL Band Interleaved by Line BSQ Band Sequential CSDL Cơ sở dữ liệu GOES Geostationary Operational Environmental Satellite GIS Geographic Information System IFOV Instantnous Field of View ONC Operational Navigation Charts NASA National Aeronautics and Space Administration NOAA National Oceanic and Atmospheric Administration SPOT Systeme Pour l’Observation de la Terre ENVI The Environment for Visualising Images 3 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Mô hình công nghệ GIS. ............................................................ 10 Hình 1.2. Các thành phần của GIS. ........................................................... 12 Hình 1.3. Quan hệ giữa các nhóm chức năng của GIS. ............................... 15 Hình 1.4. Định dạng dữ liệu Vector và Raster. ........................................... 17 Hình 1.5. Ảnh chụp và ảnh số. .................................................................. 19 Hình 1.6. Độ phân giải cao và thấp. .......................................................... 21 Hình 1.7. Tiến trình xử lý ảnh viễn thám. .................................................. 29 Hình 1.8. Nắn chỉnh hình học. .................................................................. 30 Hình 1.9. Phân lớp có giám sát. ................................................................ 31 Hình 1.10. Phân loại theo phương pháp xác suất cực đại. .......................... 33 Hình 2.1. Ảnh thu thập bằng phần mềm TerraLook. .................................. 35 Hình 2.2. Phần mềm nhập bản đồ số hóa................................................... 40 Hình 2.3. Số hóa bản đồ. ........................................................................... 41 Hình 2.4. Minh họa thuật toán Douglas-Peucker. ...................................... 44 Hình 2.5. Chồng ghép dữ liệu. .................................................................. 42 Hình 2.6. Chồng ghép đa giác. .................................................................. 46 Hình 2.7. Tiến trình phủ đa giác. ............................................................... 47 Hình 2.8. Đường và đa giác lệch nhau. ..................................................... 48 Hình 2.9. Giao của các đường thẳng. ........................................................ 50 Hình 2.10. Điểm trong đa giác .................................................................. 51 Hình 2.11. Điểm trong đa giác. ................................................................. 51 Hình 2.12. Diện tích đa giác...................................................................... 52 Hình 2.13. Giao hai đa giác. ...................................................................... 53 Hình 2.14. Xác định cạnh trong đa giác .................................................... 54 Hình 2.15. Tác cá đa giác kết quả. ............................................................ 55 4 Hình 2.16. Quy trình xác định biến động .................................................. 56 Hình 3.1. Giới thiệu về ArcMap. ............................................................... 61 Hình 3.2. Nắn chỉnh ảnh Landsat 2000. .................................................... 62 Hình 3.3. Nắn chỉnh ảnh Landsat 2007. .................................................... 63 Hình 3.4. Lựa chọn mẫu giải đoán. ........................................................... 64 Hình 3.5. Ảnh sau phân loại ...................................................................... 65 Hình 3.6. Dữ liệu Vector ảnh Landsat 2000. ............................................. 66 Hình 3.7. Dữ liệu Vector ảnh Landsat 2007. ............................................. 66 Hình 3.8. Khu vực cần tình biến động trong bản đồ năm 2000. ................. 67 Hình 3.9. Khu vực cần tình biến động trong bản đồ năm 2007. ................. 67 Hình 3.10. Chồng ghép bản đồ. ................................................................. 68 Hình 3.11. Diện tích biến động ................................................................. 69 5 MỞ ĐẦU 1. Cơ sở khoa học và tính thực tiễn của đề tài. Tài nguyên thiên nhiên là một tài sản vô cùng quý giá, tạo nên sự hài hoà giữa thiên nhiên và con người. Bảo vệ tải nguyên thiên nhiên là bảo vệ môi trường sinh thái, là một vấn đề vô cùng to lớn mang ý nghĩa toàn cầu. Hiện nay, nguồn tư liệu viễn thám được sử dụng rộng rãi ở nước ta trong các nghiên cứu về tài nguyên thiên nhiên. Cùng với đó, thiết bị tin học được đồng bộ hóa tăng khả năng xử lý nhanh chóng trong việc xây dựng các loại bản đồ. Vì vậy, phương pháp viễn thám kết hợp công nghệ các phần mềm GIS (Cơ sở dữ liệu thông tin địa lý) sẽ góp phần khắc phục nhiều hạn chế của phương pháp truyền thống và đặc biệt hiệu quả trong xử lý số liệu nhằm đánh giá biến động trong quá trình sử dụng đất đai. Công nghệ GIS và Viễn thám là một giải phát hỗ trợ đắc lực cho vấn đề quản lý tài nguyên rừng, môi trường. Bạn có thể thiết lập bản đồ hiện trạng rừng với các quy mô khác nhau, quản lý, phân tích dữ liệu, bản đồ trong GIS, và xa hơn nữa là làm thế nào để xác định và tổ hợp các nhân tố ảnh hưởng đến đối tượng quản lý, nghiên cứu; như quy hoạch phân cấp xung yếu lưu vực trên cở sở xác định nhân tố khí hậu, thủy văn, địa hình, đất đai, thảm thực vật, hoặc làm thế nào để đánh giá quá trình sử dụng tài nguyên thiên nhiên để có giải phát tích hợp. 2. Ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS ở trên thế giới Ngày nay công nghệ viễn thám có khả năng áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau: 1. Viễn thám ứng dụng trong quản lý sự biến đổi môi trường bao gồm: Điều tra về sự biến đổi sử dụng đất và lớp phủ; Vẽ bản đồ thực vật; Nghiên cứu các quá trình sa mạc hoá và phá rừng; Giám sát thiên tai… 2. Viễn thám ứng dụng trong điều tra đất bao gồm: Xác định và phân loại các vùng thổ nhưỡng; Đánh giá mức độ thoái hoá đất, tác hại của xói mòn, quá trình muối hoá. 6 3. Viễn thám trong lâm nghiệp, diễn biến của rừng bao gồm: Điều tra phân loại rừng, diễn biến của rừng; Nghiên cứu về côn trùng và sâu bệnh phá hoại rừng, cháy rừng. 4. Viễn thám trong quản lý sử dụng đất bao gồm: Thống kê và thành lập bản đồ sử dụng đất; Điều tra giám sát trạng thái mùa màng và thảm thực vật. 5. Ứng dụng viễn thám trong địa chất bao gồm: Thành lập bản đồ địa chất; Lập bản đồ phân bố khoáng sản; Lập bản đồ phân bố nước ngầm; Lập bản đồ địa mạo. 6. Viễn thám trong nghiên cứu tài nguyên nước: Lập bản đồ phân bố tài nguyên nước; Bản đồ phân bố tuyết; Bản đồ phân bố mạng lưới thuỷ văn; Bản đồ các vùng đất thấp. 7. Viễn thám trong địa chất công trình: Xác định các vị trí khảo sát cho xây dựng các công trình; Nghiên cứu các hiện tượng trượt đất. 8. Viễn thám trong khảo cổ học: Phát hiện các thành phố cổ, các dòng sông cổ hay các di khảo cổ khác. 9. Viễn thám trong khí tượng thuỷ văn: Đánh giá định lượng lượng mưa, bão và lũ lụt, hạn hán; Đánh giá, dự báo dòng chảy, đánh giá tài nguyên khí hậu, phân vùng khí hậu 10. Viễn thám trong khí tượng nông nghiệp (KTNN). 11. Tích hợp GIS và Viễn thám Những kết quả ứng dụng viễn thám gần đây chỉ ra rằng giải quyết một vấn đề thực tiễn chỉ dựa đơn thuần trên tư liệu viễn thám là một việc hết sức khó khăn và trong nhiều trường hợp không thể thực hiện nổi. Vì vậy cần phải có một sự tiếp cận tổng hợp trong đó tư liệu viễn thám giữ một vai trò quan trọng và kèm theo các thông tin truyền thông khác như số liệu thống kê, quan trắc, số liệu thực địa. Cách tiếp cận đánh giá, quản lý tài nguyên như vậy được các nhà chuyên môn đặt tên là hệ thống thông tin địa lý. GIS là công cụ dựa trên máy tính dùng cho việc thành lập bản đồ và phân tích các đối tượng tồn tại và các sự kiện bao gồm đất đai, sông ngòi, khoáng sản, con người, khí tượng thuỷ văn, 7 môi trường nông nghiệp v.v xảy ra trên trái đất. Công nghệ GIS dựa trên các cơ sở dữ liệu quan trắc, viễn thám đưa ra các câu hỏi truy vấn, phân tích thống kê được thể hiện qua phép phân tích địa lý. Những sản phẩm của GIS được tạo ra một cách nhanh chóng, nhiều tình huống có thể được đánh giá một cách đồng thời và chi tiết. Hiện nay nhu cầu ứng dụng công nghệ GIS trong lĩnh vực điều tra nghiên cứu, khai thác sử dụng, quản lý tài nguyên thiên nhiên và môi trường ngày càng gia tăng không những trong phạm vi quốc gia, mà cả phạm vi quốc tế. Tiềm năng kỹ thuật GIS trong lĩnh vực ứng dụng có thể chỉ ra cho các nhà khoa học và các nhà hoạch định chính sách, các phương án lựa chọn có tính chiến lược về sử dụng và quản lý tài nguyên thiên nhiên và môi trường. 8 CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ GIS VÀ VIỄN THÁM 1.1. 1.1.1. Khái niệm GIS Khái niệm “thông tin” đề cập đến phần dữ liệu được quản lý bởi GIS. Đó là các dữ liệu về thuộc tính và không gian của đối tượng. GIS có tính “hệ thống” tức là hệ thống GIS được xây dựng từ các mô đun. Việc tạo các mô đun giúp thuận lợi trong việc quản lý và hợp nhất. GIS là một hệ thống có ứng dụng rất lớn. Từ năm 1980 đến nay đã có rất nhiều các định nghĩa được đưa ra, tuy nhiên không có định nghĩa nào khái quát đầy đủ về GIS vì phần lớn chúng đều được xây dựng trên khía cạnh ứng dụng cụ thể trong từng lĩnh vực [2]. Có ba định nghĩa được dùng nhiều nhất. GIS là một hệ thống thông tin được thiết kế để làm việc với các dữ liệu trong một hệ toạ độ quy chiếu. GIS bao gồm một hệ cơ sở dữ liệu và các phương thức để thao tác với dữ liệu đó. GIS là một hệ thống nhằm thu thập, lưu trữ, kiểm tra, tích hợp, thao tác, phân tích và hiển thị dữ liệu được quy chiếu cụ thể vào trái đất. GIS là một chương trình máy tính hỗ trợ việc thu thập, lưu trữ, phân tích và hiển thị dữ liệu bản đồ.  Mô hình công nghệ Một cách khái quát, có thể hiểu một hệ GIS như là một quá trình sau: 9 Dữ liệu vào: dữ liệu được nhập từ các nguồn khác nhau như chuyển đổi giữa các cách biểu diễn dữ liệu, máy quét, hình ảnh từ vệ tinh, ảnh chụp… Quản lý dữ liệu: sau khi dữ liệu được thu thập và tổng hợp, GIS cần cung cấp các thiết bị có thể lưu và bảo trì dữ liệu nhằm đảm bảo: bảo mật số liệu, tích hợp số liệu, lọc và đánh giá số liệu, khả năng duy trì. GIS lưu thông tin thế giới thực thành các tầng dữ liệu riêng biệt, các tầng này đặt trong cùng một hệ trục toạ độ và chúng có khả năng liên kết với nhau. Xử lý dữ liệu: các thao tác xử lý dữ liệu được thực hiện để tạo ra thông tin. Nó giúp cho người sử dụng quyết định cần làm tiếp công việc gì. Kết quả của xử lý dữ liệu là tạo ra các ảnh, báo cáo và bản đồ. Phân tích và mô hình: số liệu tổng hợp và chuyển đổi chỉ là một phần của GIS. Những yêu cầu tiếp theo là khả năng giải mã và phân tích về mặt định tính và định lượng thông tin đã thu thập. Dữ liệu ra: một trong các phương diện công nghệ GIS là sự thay đổi của các phương pháp khác nhau trong đó thông tin có thể hiển thị khi nó được xử lý bằng GIS. Các phương pháp truyền thống là bảng và đồ thị có thể cung cấp bằng các bản đồ và ảnh 3 chiều.  Các lĩnh vực khoa học liên quan đến GIS GIS là sự hội tụ các lĩnh vực công nghệ và các ngành truyền thống, nó hợp nhất các số liệu mang tính liên ngành bằng tổng hợp, mô hình hoá và phân tích. Vì vậy có thể nói, GIS được xây dựng trên các tri thức của nhiều ngành khoa học khác nhau để tạo ra các hệ thống phục vụ mục đích cụ thể. Các ngành này bao gồm: Ngành địa lý: là ngành liên quan mật thiết đến việc biểu diễn thế giới và vị trí của đối tượng trong thế giới. Nó có truyền thống lâu đời về phân tích không gian và nó cung cấp các kỹ thuật phân tích không gian khi nghiên cứu. Ngành bản đồ: nguồn dữ liệu đầu vào chính của GIS là các bản đồ. Ngành bản đồ có truyền thống lâu đời trong việc thiết kế bản đồ, do vậy nó cũng là khuân mẫu quan trọng nhất của đầu ra GIS. 10 Công nghệ viễn thám: các ảnh vệ tinh và ảnh máy bay là nguồn dữ liệu địa lý quan trọng cho hệ GIS. Viễn thám bao gồm cả kỹ thuật thu thập và xử lý dữ liệu ở mọi vị trí trên quả địa cầu. Các dữ liệu đầu ra của hệ thống ảnh vệ tinh có thể được trộn với các lớp dữ liệu của GIS. Ảnh máy bay: khi ta xây dựng bản đồ có tỷ lệ cao thì ảnh chụp từ máy bay là nguồn dữ liệu chính về bề mặt trái đất được sử dụng làm đầu vào. Bản đồ địa hình: cung cấp dữ liệu có chất lượng cao về vị trí của ranh giới đất đai, nhà cửa… Ngành thống kê: các kỹ thuật thống kê được sử dụng để phân tích dữ liệu GIS. Nó là đặc biệt quan trọng trong việc xác định sự phát sinh các lỗi hoặc tính không chắc chắn trong số liệu của GIS. Khoa học tính toán: tự động thiết kế máy tính cung cấp kỹ thuật nhập, hiển thị biểu diễn dữ liệu. Đồ hoạ máy tính cung cấp công cụ để thể hiện, quản lý các đối tượng đồ hoạ. Quản trị cơ sở dữ liệu cho phép biểu diễn dữ liệu dưới dạng số, các thủ tục để thiết kế hệ thống, lưu trữ, xâm nhập, cập nhật. Toán học: các ngành hình học, lý thuyết đồ thị được sử dụng trong thiết kế hệ GIS và phân tích dữ liệu không gian. 1.1.2. Các thành phần GIS GIS bao gồm 5 thành phần: 11 Con người Dữ liệu Phương pháp phân tích Phần mềm Phần cứng Các thành phần này kết hợp với nhau nhằm tự động quản lý và phân phối thông tin thông qua biểu diễn địa lý.  Con ngƣời Con người là thành phần quan trọng nhất, là nhân tố thưc hiện các thao tác điều hành sự hoạt động của hệ thống GIS. Người dùng GIS là những người sử dụng các phần mềm GIS để giải quyết các bài toán không gian theo mục đích của họ. Họ thường là những người được đào tạo tốt về lĩnh vực GIS hay là các chuyên gia. Người xây dựng bản đồ: sử dụng các lớp bản đồ được lấy từ nhiều nguồn khác nhau, chỉnh sửa dữ liệu để tạo ra các bản đồ theo yêu cầu. Người xuất bản: sử dụng phần mềm GIS để kết xuất ra bản đồ dưới nhiều định dạng xuất khác nhau. Người phân tích: giải quyết các vấn đề như tìm kiếm, xác định vị trí… Người xây dựng dữ liệu: là những người chuyên nhập dữ liệu bản đồ bằng các cách khác nhau: vẽ, chuyển đổi từ định dạng khác, truy nhập CSDL… Người quản trị CSDL: quản lý CSDL GIS và đảm bảo hệ thống vận hành tốt. Người thiết kế CSDL: xây dựng các mô hình dữ liệu lôgic và vật lý. Người phát triển: xây dựng hoặc cải tạo các phần mềm GIS để đáp ứng các nhu cầu cụ thể.  Dữ liệu Một cách tổng quát, người ta chia dữ liệu trong GIS thành 2 loại: 12 Dữ liệu không gian (spatial) cho ta biết kích thước vật lý và vị trí địa lý của các đối tượng trên bề mặt trái đất. Dữ liệu thuộc tính (non-spatial) là các dữ liệu ở dạng văn bản cho ta biết thêm thông tin thuộc tính của đối tượng.  Phần cứng Là các máy tính điện tử: PC, mini Computer, MainFrame … là các thiết bị mạng cần thiết khi triển khai GIS trên môi trường mạng. GIS cũng đòi hỏi các thiết bị ngoại vi đặc biệt cho việc nhập và xuất dữ liệu như: máy số hoá (digitizer), máy vẽ (plotter), máy quét (scanner)…  Phần mềm Hệ thống phần mềm GIS rất đa dạng. Mỗi công ty xây dựng GIS đều có hệ phần mềm riêng của mình. Tuy nhiên, có một dạng phần mềm mà các công ty phải xây dựng là hệ quản trị CSDL địa lý. Dạng phần mềm này nhằm mục đích nâng cao khả năng cho các phần mềm CSDL thương mại trong việc: sao lưu dữ liệu, định nghĩa bảng, quản lý các giao dịch do đó ta có thể lưu các dữ liệu đồ địa lý dưới dạng các đối tượng hình học trực tiếp trong các cột của bảng quan hệ và nhiều công việc khác. 1.1.3. Chức năng GIS Một hệ GIS phải đảm bảo được 6 chức năng cơ bản sau: Capture: thu thập dữ liệu. Dữ liệu có thể lấy từ rất nhiều nguồn, có thể là bản đồ giấy, ảnh chụp, bản đồ số… Store: lưu trữ. Dữ liệu có thể được lưu dưới dạng vector hay raster. Query: truy vấn (tìm kiếm). Người dùng có thể truy vấn thông tin đồ hoạ hiển thị trên bản đồ. Analyze: phân tích. Đây là chức năng hộ trợ việc ra quyết định của người dùng. Xác định những tình huống có thể xảy ra khi bản đồ có sự thay đổi. Display: hiển thị. Hiển thị bản đồ. 13 Output: xuất dữ liệu. Hỗ trợ việc kết xuất dữ liệu bản đồ dưới nhiều định dạng: giấy in, Web, ảnh, file…  Thu thập dữ liệu Thu thập dữ liệu là quá trình thu nhận dữ liệu theo khuân mẫu được áp dụng cho GIS. Mức độ đơn giản nhất của thu thập dữ liệu là chuyển đổi khuân dạng mẫu có sẵn từ bên ngoài. Trong trường hợp này, GIS phải có các tiện ích để hiểu được các khuân dạng mẫu dữ liệu chuẩn khác nhau để trao đổi. GIS còn phải có khả năng nhập các ảnh bản đồ. Trong thực tế, nhiều kỹ thuật trắc địa được áp dụng để thu thập dữ liệu thô, bao gồm thu thập dữ liệu về bề mặt trái đất như địa hình, địa chất học và thảm thực vật nhờ trắc địa đo đạc hay ảnh chụp từ vệ tinh, máy bay. Các dữ liệu như kinh tế - xã hội thu thập từ điều tra phỏng vấn hay chuyển đổi từ các bài tư liệu viết. Bản đồ vẽ bằng tay trên giấy phải được số hoá sang dạng raster. Việc sử dụng ảnh vệ tinh hay ảnh chụp từ máy bay được xem là nguồn dữ liệu quan trọng khi nghiên cứu tài nguyên thiên nhiên và đo vẽ bản đồ địa hình. 14  Lƣu trữ và truy cập dữ liệu Lưu trữ dữ liệu liên quan đến tạo lập CSDL không gian (đồ hoạ, bản đồ). Nội dung của CSDL này có thể bao gồm tổ hợp dữ liệu vector hoặc/và dữ liệu raster, dữ liệu thuộc tính để nhận diện hiện tượng tham chiếu không gian. Thông thường dữ liệu thuộc tính của GIS trên cơ sở đối tượng được lưu trong bảng, chúng chứa khoá chính là một chỉ danh duy nhất tương ứng với đối tượng không gian, kèm theo nhiều mục dữ liệu thuộc tính khác. Chỉ danh đối tượng không gian duy nhất được dùng để liên kết giữa dữ liệu thuộc tính và dữ liệu không gian tương ứng. Trong bảng thuộc tính cũng có thể bao gồm cả giá trị không gian như độ dài đường, diện tích vùng mà chúng đã được dẫn xuất từ biểu diễn dữ liệu hình học. Phương tiện truy nhập trong CSDL GIS bao gồm cả phương tiện có sẵn của CSDL quan hệ chuẩn và khả năng xây dựng câu hỏi truy vấn để tìm thông tin mà giá trị của chúng bằng hoặc nằm trong khoảng xác định. Đặc tính đặc biệt theo vị trí đối với hệ toạ độ nào đó và theo các quan hệ không gian. Do nhu cầu khai thác thông tin trên CSDL không gian thường bao gồm phương pháp chỉ số không gian đặc biệt. Câu hỏi không gian thường là tìm ra đối tượng nằm trong hay trên các biên của cửa sổ hình chữ nhật. Khai thác dữ liệu trên cơ sở vị trí hay quan hệ không gian được xem như là nền tảng của thâm nhập CSDL GIS. Tìm kiếm và phân tích dữ liệu không gian. Đây là chức năng đóng vai trò rất quan trọng trong GIS. Nó tạo nên sức mạnh thực sự của GIS so với các phương pháp khác. Tìm kiếm và phân tích dữ liệu không gian giúp tìm ra những đối tượng đồ hoạ theo các điều kiện đặt ra hay hỗ trợ việc ra quyết định của người dùng GIS  Tìm kiếm và phân tích dữ liệu không gian Có rất nhiều các phương pháp tìm kiếm và phân tích dữ liệu không gian, các phương pháp khác nhau thường tạo ra các ứng dụng GIS khác nhau.  Dữ liệu Vector và Raster 15 Có hai phương pháp chính để lưu trữ thông tin bản đồ: GIS lưu các đối tượng bản đồ trong định dạng vector và trong định dạng raster. Trong định dạng vector, các đối tượng bản đồ được biểu diễn bởi các đối tượng hình học cơ bản point(điểm), line(đường), polygon(vùng). Point dùng xác định các đối tựợng không có hình dạng kích thước cụ thể, hay có kích thước quá nhỏ so với tỷ lệ bản đồ. Line để xác định các đối tượng có chiều dài xác định. Polygon để xác định các vùng, miền trên mặt đất. Trong định dạng này, thông tin được mô tả có tính chính xác cao đồng thời tiết kiệm không gian lưu trữ. Thông tin lưu trong định dạng vector chủ yếu được ứng dụng trong bài toán về mạng, hệ thống thông tin đất đai. Trong định dạng raster, các đối tượng bản đồ được biểu diễn trong một chuỗi các điểm ảnh trong một lưới hình chữ nhật. Mỗi điểm ảnh được xác định thông qua chỉ số hàng và cột trong lưới. Trong raster, point sẽ được biểu diễn bởi một điểm ảnh đơn, line được biểu diễn bởi một chuỗi các điểm ảnh liên tiếp nhau, và polygon xác định bởi một nhóm các điểm ảnh kề sát nhau. Dữ liệu được lưu trong định dạng này rất đơn giản nhưng lại đòi hỏi dung lượng bộ nhớ lớn. Raster phù hợp với các dạng dữ liệu có đường biên không rõ ràng. Raster được ứng dụng nhiều trong phân tích bề mặt liên tục. Hình 1.4. Định dạng dữ liệu Vector và Raster 16 1.2. Khái quát về Viễn thám 1.2.1. - Định nghĩa: Viễn thám tiếng anh gọi là Remote Sending được hiểu như một khoa học, nghệ thuật thu nhận thông tin về đối tượng, khu vực hay hiện tượng trên bề mặt Trái đất mà không tiếp xúc trực tiếp với chúng. Công việc này được thực hiện bởi cảm nhận (sensing) và lưu trữ các nặng lượng phản xạ hay được phát ra từ các đối tượng nghiên cứu. Sau đó là thực hiện phân tích, xử lý và ứng dụng các thông tin nay vào nhiều lĩnh vực khác nhau. [3] - Thuật ngữ viễn thám (Remote sensing) - điều tra từ xa, xuất hiện từ năm 1960 do một nhà địa lý người Mỹ là E.Pruit đặt ra (Thomas, 1999). - Ngày nay kỹ thuật viễn thám đã được phát triển và ứng dụng rất nhanh và rất hiệu quả trong nhiều lĩnh vực. - Như vậy viễn thám thông qua kỹ thuật hiện đại không tiếp cận với đối tượng mà xác định nó qua thông tin ảnh chụp từ khoảng cách vài chục mét tới vài nghìn km. - Kỹ thuật viễn thám là một kỹ thuật đa ngành, nó liên kết nhiều lĩnh vực khoa học và kỹ thuật khác nhau trong các công đoạn khác nhau như: + Thu nhận thông tin; + Tiền xử lý thông tin; + Phân tích và giải đoán thông tin; + Đưa ra các sản phẩm dưới dạng bản đồ chuyên đề và tổng hợp. Vì vậy có thể định nghĩa Viễn thám là sự thu nhận và phân tích thông tin về đối tượng mà không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tượng nghiên cứu. Bằng các công cụ kỹ thuật, viễn thám có thể thu nhận các thông tin, dự kiện của các vật thể, các hiện tượng tự nhiên hoặc một vùng lãnh thổ nào đó ở một khoảng cách nhất định. 17 1.2.2. Đặc trƣng của ảnh Viễn thám Năng lượng điện tử có thể được nhận biết bằng phim ảnh hay điện tử. Có thể ghi biến thiên năng lượng trên phim nháy ánh sáng. Cần phân biệt hai khái niệm ảnh (image) và ảnh chụp (photograph) trong viễn thám. Ảnh được hiểu là hình thức biểu diễn “cảnh” bất kỳ, không quan tâm đến bước sóng hay thiết bị viễn thám nào được sử dụng. Ảnh chụp đề cập đến ảnh được chụp trên phim ảnh. Thông thường, ảnh được chụp tại bước sóng từ 0.3µm đến 0.9µm (vùng nhìn thấy và vùng hồng ngoại phản xạ). Vậy, mọi ảnh chụp là ảnh, nhưng không phải mọi ảnh là ảnh chụp. Ảnh chụp có thể được biểu diễn và hiển thị dưới dạng ảnh số bằng cách chia ảnh thành các ô vuông nhỏ bằng nhau (theo cột và hàng), gọi là pixel. Biểu diễn độ sang của mỗi vùng bằng một giá trị số (DN- Digital Number).[3] Hình 1.5. Ảnh chụp và ảnh số Hình trên thể hiện quy trình sinh ảnh số từ ảnh chụp. Ảnh chụp được quét và được chia nhỏ thành các pixel. Mỗi pixel được gán một số biểu diễn độ chói. Máy tính hiển thị mỗi giá trị số với mức độ chói khác nhau. Kênh ảnh (Chanel, Band) Thông thường, một dải hẹp bước sóng được đo và tập dữ liệu được lưu trữ tách biệt, chúng được gọi là băng (Band) hay kênh (Channel) ảnh. Có thể tổ 18