I. PHẦN VIỄN THÁM
Câu 1. Vẽ sơ đồ và trình bày các thành phần cơ bản của hệ thống viễn thám.
a. Các thành phần chính của hệ thống viễn thám: gồm 7 phần
- Nguồn năng lượng (A): Thành phần đầu tiên của hệ thống là nguồn năng lượng để chiếu sáng hay cung cấp năng lượng điện từ tới đối tượng cần nghiên cứu. Trong viễn thám chủ động sử dụng năng lượng phát ra từ nguồn phát đặt trên vật mang, còn trong viễn thám bị động, nguồn năng lượng chủ yếu là bức xạ mặt trời.
- Những tia phát xạ và khí quyển (B): Bức xạ điện từ từ nguồn phát tới đối tượng nghiên cứu sẽ phải tương tác qua lại với khí quyển nơi đó đi qua.
- Sự tương tác với đối tượng (C): Sau khi truyền qua khí quyển đến đối tượng, năng lượng sẽ tương tác với đối tượng tùy thuộc vào đđ của đối tượng và sóng điện từ. Sự tương tác này có thể là sự truyền qua, sự hấp thụ hay bị phản xạ trở lại khí quyển.
- Thu nhận năng lượng bằng bộ cảm biến (D): Sau khi năng lượng được phát ra hoặc bị phản xạ từ đối tượng, cần có bộ cảm biến để tập hợp lại và thu nhận sóng điện từ. Năng lượng điện từ truyền về bộ cảm sẽ mang thông tin của đối tượng.
- Sự truyền tải, thu nhận và xử lý (E): Năng lượng được thu nhận bởi bộ cảm cần được truyền tải ( thường dưới dạng điện từ ) đến một trạm thu nhận dữ liệu để xử lý sang dạng ảnh. Ảnh này là dữ liệu thô.
- Phận loại và phân tích ảnh ( F ): Ảnh thô sẽ được xử lý để có thể sử dụng trong các mục đích khác nhau. Để nhận biết được các đối tượng trên ảnh cần phải giải đoán chúng. Ảnh được phân loại bằng việc kết hợp các phương khác nhau ( phân loại bằng mắt, phân loại thực địa, phân loại tự động…).
- Ứng dụng (G): Đây là thành phần cuối cùng của hệ thống viễn thám, được thực hiện khi ứng dụng thông tin thu nhận được trong quá trình xử lý ảnh vào các lĩnh vực, bài toán cụ thể.
Câu 2. Trình bày các tiêu chí phân loại viễn thám.
1. Các yếu tố phân loại viễn thám:
- Hình dạng quỹ đạo của vệ tinh
- Độ cao bay của vệ tinh
- Loại nguồn phát và tín hiệu thu nhận
- Dải phổ của các thiết bị thu
2. Phân loại, có 3 phương thưc phân thức phân loại viễn thám:
a. Phân loại theo nguồn năng lượng sử dụng ( loại nguồn phát và tín hiệu thu nhận), kỹ thuật viễn thám bao gồm:
- Viễn thám bị động: sử dụng năng lượng mặt trời hoặc năng lượng do vật thể bức xạ (ở điều kiện nhiệt thường, các vật thể tự phát ra bức xạ hồng ngoại).
- Viễn thám chủ động: thiết bị thu nhận phát ra nguồn năng lượng tới vật thể rồi thu nhận tín hiệu phản xạ lại, dùng trong trường hợp như giám sát bão, hoặc ban đêm..
b. Phân loại theo nguồn vùng bước sóng sử dụng ( theo dải phổ của các thiết bị thu): ứng với vùng bước sóng sử dụng, viễn thám có thể được phân thành 3 loại:
- Viễn thám trong dải sóng nhìn thấy và hồng ngoại phản xạ: Nguồn năng lượng sử dụng là bức xạ mặt trời, ảnh viễn thám nhận được dựa vào sự đo lường năng lượng vùng ánh sáng nhìn thấy và hồng ngoại được phản xạ từ vật thể và bề mặt trái đất. Ảnh thu được bởi kỷ thuật viễn thám này được gọi là ảnh quang học.
- Viễn thám hồng ngoại nhiệt: Nguồn năng lượng sử dụng là bức xạ nhiệt do chính vật thể sản sinh ra. Ảnh thu được bởi kỹ thuật viễn thám này được gọi là ảnh nhiệt.
- Viễn thám siêu cao tần: trong viễn thám siêu cao tần hai kỹ thuật chủ động và bị động đều được áp dụng.
+ Viễn thám bị động thu lại sóng vô tuyến cao tần với bước sóng lớn hơn 1mm mà được bước xạ tự nhiên hoặc phản xạ từ một số đối tượng. Vì có bước sóng dài nên năng lượng thu nhận được của kỹ thuật viễn thám siêu cao tần bị động thấp hơn viễn thám trong dải sóng nhìn thấy.
+ Đối với viễn thám siêu cao tần chủ động (Radar), vệ tinh cung cấp năng lượng riêng và phát trực tiếp đến các vật thể, rồi thu lại năng lượng do sóng phản xạ lại từ các vật thể. Cường độ năng lượng vật thể được đo lường để phân biệt giữa các đối tượng với nhau.
c. Phân loại theo đặc điểm quỹ đạo: có hai nhóm chính là viễn thám vệ tinh địa tĩnh và viễn thám vệ tinh quỹ đạo cực (hay gần cực):
- Căn cứ vào đặc điểm quỹ đạo vệ tinh, có thể chia ra 2 nhóm vệ tinh là:
+ Vệ tinh địa tĩnh là vệ tinh có tốc độ góc quay bằng tốc độ góc quay của trái đất, nghĩa 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 lặp lại là cố định với một vệ tinh ( ví dụ: landsat là 18 ngày, spot là 23 ngày...).
Câu 3. Vẽ sơ đồ và trình bày đặc trưng phản xạ phổ của nước, thổ nhưỡng và thực vật.
a. Đặc trưng phản xạ phổ của nước:
- Khả phản xạ phổ của nước thay đổi theo bước sóng của bước xạ chiếu tới và thành phần vật chất có trong nước. Ngoài ra, phản xạ phổ của nước còn phụ thuộc vào bề mặt nước và trạng thái của nước.
- Nước có khả năng hấp thụ rất mạnh năng lượng ở bước sóng cận hồng ngoại và hồng ngoại, do đó năng lượng phản xả sẽ rất ít. Trên ảnh vệ tinh của các dải sóng này nước gần như có màu đen.
- Trong nước chứa nhiều thành phần hữu cơ và vô cơ, cho nên khả năng phản xạ phổ của nước phụ thuộc vào thành phần và trạng thái của nước. Ngoài ra, một số yếu tố khác cũng ảnh hưởng đến khả năng phản xạ phổ của nước, nhưng không thể hiện rõ rệt qua sự khác biệt của đồ thị phổ: Độ mặn của nước biển, hàm lượng khí CH4, O2, N, CO2, … trong nước.
- Độ thiếu quang của nước phụ thuộc vào độ đục/ trong. Nước biển, nước ngọt, nước cất đều có chung đặc điểm thấu quang, tuy nhiên với nước đục, độ thấu quang giảm rõ rệt và với bước sóng càng dài, độ thấu quang càng lớn.
b. Đặc trưng phản xạ phổ của thổ nhưỡng:
- Là khả năng phản xạ phổ tăng theo độ dài bước sóng, đặc biệt là bước sóng cận hồng ngoại và hồng ngoại nhiệt. Với các loại đất có thành phần cấu tạo các chất hữu cơ và vô cơ khác nhau, khả năng phản xạ phổ sẽ khác nhau.
- Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng phản xạ phổ của thổ nhưỡng: cấu trúc bề mặt của đất, độ ẩm của đất, hợp chất hữu cơ, vô cơ có trong đất.
- Khả năng phản xạ phổ của thổ nhưỡng phụ thuộc vào độ ẩm của đất. Khi độ ẩm tăng, khả năng phản xạ sẽ bị giảm.
- Khả năng phản xạ phổ còn phụ thuộc vào hàm lượng oxit sắt trong đất, hàm lượng giảm thì khả năng phản xạ phổ sẽ tăng và ngược lại.
c. Đăc trưng phản xạ phổ của thực vật:
- Khả năng phản xạ phổ của thực vật phụ thuộc vào nước sóng điện từ. Trong dải sóng điện từ nhìn thấy, các sắc tố của lá cây ảnh hưởng đến đặc tính phản xạ của phổ của nó, đặc biệt là hàm lượng chất diệt lục (clorophyl).
- Thực vật có khả năng hấp thụ năng lượng mạnh nhất ở các bước sóng 1.4 m, 1.9 m, 2.7m. Khi hàm lượng nước chứa trong lá giảm đi, khả năng phản xạ phổ của lá cũng tăng lên đáng kể.
Câu 4. Các khái niệm về độ phân giải của ảnh vệ tinh quang học.
- Độ phân giải là thông số cơ bản nhất phản ánh chất lượng và tính năng của ảnh vệ tinh mà dựa vào đó ta có thể xác định khả năng phân loại, nghiên cứu vật thể. Độ phân giải ảnh vệ tinh bao gồm: độ phân giải không gian, độ phân giải thời gian, độ phân giải phổ và độ phân giải bức xạ.
- Độ phận giải không gian của ảnh vệ tinh:
+ Là kích thước nhỏ nhất của một đối tượng hay khoảng cách tối thiểu giữa hai đối tượng liền kề có khả năng phân biệt được trên ảnh. Ảnh có độ phân giải không gian càng cao thì có kích thước pixel càng nhỏ. Độ phân giải này phụ thuộc vào kích thước pixel ảnh, độ tương phản hình ảnh, điều kiện khí quyển và các thông số quỹ đạo của vệ tinh.
+ Là độ phân giải mặt đất khi hình chiếu của một pixel tương đương với một đơn vị chia mẫu trên đất.
- Độ phân giải bức xạ: Là khả năng nhạy cảm của các thiết bị thu để phát hiện những sự khác nhau rất nhỏ trong năng lượng sóng điện từ ( số bit dùng để ghi nhận thông tin ảnh vệ tinh). Phần lớn dữ liệu của ảnh viễn thám hiện nay được lưu ở dạng 8 bít (có 256 cấp độ xám từ 0 – 256), một số ảnh vệ tinh độ phân giải cao có thể lưu trữ ở dạng 16 bit (có 65536 cấp độ xám, từ 0 – 65536).
- Độ phân giải phổ : Thể hiện bởi kích thước và số kênh phổ, bề rộng phổ hoặc sự phân chia vùng phổ mà ảnh vệ tinh có thể phân biệt một số lượng lớn các bước sóng có kích thước tương tự, cũng như tách biệt được các bước xạ từ nhiều phổ khác nhau.
- Đô phân giải thời gian: Là thời gian chụp lặp lại cùng một vị trí của ảnh vệ tinh. Độ phân giải thời gian cho biết số ngày ( hoặc giờ) mag hệ thống cảm biến của vệ tinh sẽ quay lại để chụp một vị trí nhất định.
Câu 5. Trình bày khái niệm, ưu và nhược điểm của phương pháp phân loại ảnh bằng mắt. Liệt kê các dấu hiệu phân loại ảnh bằng mắt.
a. Khái niệm:
- Là quá trình sử mắt người cùng với trí tuệ để tách chiết các thông tin từ tư liệu viến thám dạng hình ảnh.
- Trong việc xử lý ảnh viễn thám, giải đoán bằng mắt là công việc đầu tiên, phổ biến nhất và có thể áp dụng trong mọi điều kiện có trang thiết bị từ đơn giản đến phức tạp.
- Việc phân tích ảnh bằng mắt có thể được trợ giúp bằng một số thiết bị quang học từ đơn giản đến phức tạp như kính lúc, kính lập thể, kinh phóng đại, kính tổ hợp màu... nhằm nâng cao khả năng phân tích của mắt người.
- Là công việc có thể áp dụng một cách dễ dàng trong mọi điều kiện và có thể phục vụ cho nhiều nội dung nghiên cứu khác nhau: nghiên cứu lớp phủ mặt đất, rừng, thổ nhưỡng, địa chất, địa mạo thủy văn, sinh thái, môi trường.
b. Ưu và nhược điểm:
- Ưu điểm: Đơn giản, nhanh chóng và phát huy được trí tuệ của người sửa dụng
- Nhược điểm: Độ chính xác không cao, phụ thuộc vào khả năng của người phân loại và không xử không xử lý được lượng thông tin lớn cũng như không phát hiện được các đối tượng ngụy trang.
c. Các dấu hiệu phân loại ảnh bằng mắt: (9)
- Kích thước.
- Hình dạng
- Bóng râm
- Độ đậm nhạt – độ sáng
- Màu sắc
- Cấu trúc
- Hình mẫu
- Mối liên quan.
- Khóa giải đoán ảnh.
Câu 6. Khoá giải đoán là gì? Mục đích, yêu cầu khi thành lập khoá giải đoán phục vụ cho công tác giải đoán ảnh vệ tinh.
- Khóa giải đoán là chuẩn giải đoán cho đối tượng nhất định bao gồm tập hợp các yếu tố và dấu hiệu do người giải đoán thiết lập.
- Mục đích: Nhằm trợ giúp cho công tác giải đoán nhanh và đạt kết quả chính xác thống nhất cho các đối tượng từ nhiều người khác nhau.
- Yêu cầu: Thành lập dựa trên những vùng nghiên cứu thử nghiệm đã được điều tra kỹ lưỡng.
II. PHẦN GIS
Câu 1. Trình bày khái niệm hệ thống thông tin địa lý (GIS). Chức năng của GIS?
a. Khái niệm hệ thống thông tin địa lý:
- GIS là một hệ thống nhằm thu thập, lưu trữ, truy vấn, tích hợp, thao tác, phân tích và hiển thị dữ liệu không gian.
- Thực chất, GIS chính là một chương trình máy tính hỗ trợ việc thu thập, lưu trữ, phân tích và hiển thị dữ liệu bản đồ.
- Điểm khác biệt cơ bản của GIS với các hệ thống thông tin khác là GIS được thiết kế để làm việc với các dữ liệu trong một hệ toạ độ quy chiếu.
- Điểm giống với các hệ thống thông tin khác là GIS cũng bao gồm một hệ cơ sở dữ liệu và các phương pháp để thao tác với dữ liệu đó.
b. Chức năng của GIS:
- Chức năng thu thập dữ liệu: Cho phép nhập dữ liệu từ nhiều nguồn khác nhau như từ bản đồ giấy, số liệu bảng tọa độ, dữ liệu ảnh vệ tinh, dữ liệu từ hệ thống định vị toàn cầu (GPS). Hơn nữa, các dữ liệu được lưu trữ theo một định dạng dữ liệu từ một phần mềm có thể nhập vào các hệ phần mềm khác.
Ví dụ: Phần mềm ArcGIS cho phép nhập dữ liệu từ các phần mềm Mapinfo, MicroStation, IDRISI và nhiều phần mềm GIS mã nguồn mở.
- Chức năng lưu trữ dữ liệu của hệ thống GIS: Hỗ trợ lưu dữ liệu cả dạng cấu trúc dữ liệu Vector và cấu trúc dữ liệu Raster. Khả năng lưu trữ dữ liệu của các hệ GIS cho phép xây dựng các ngân hàng dữ liệu không gian phục vụ công tác QLTNMT, như: Cơ sở dữ liệu lớp phủ thực vật, cơ sở dữ liệu bản đồ đất, cơ sở dữ liệu địa chính,…
- Chức năng truy vấn dữ liệu: Là chức năng cơ bản nhất của tất cả các phần mềm GIS, cho phép truy vấn thông tin của các đối tượng riêng biệt cũng như theo các điều kiện nào đó theo giá trị thuộc tính hoặc không gian địa lý.
- Chức năng hiển thị dữ liệu của các hệ thống GIS: là khả năng cho phép hiển thị dữ liệu dưới nhiều dạng khác nhau như bản đồ, biểu đồ hoặc các báo cáo.
- Chức năng xuất dữ liệu: là khả năng của hệ thống GIS cho phép xuất dữ liệu được xuất dưới dạng bản đồ giấy, ảnh, tài liệu bản đồ hoặc qua mạng Internet.
- Chức năng phân tích dữ liệu: là nhóm chức năng quan trọng của các hệ phần mềm GIS, đặc biệt trong phân tích dữ liệu không gian. Hầu hết các hệ thống GIS đều cung cấp các công cụ phân tích không gian cơ bản như hiển thị dữ liệu, phân tích liền kề, chồng xếp bản đồ, phân tích mạng lưới. Hiện nay các phần mềm thương mại tích hợp rất nhiều các thuật toán, các mô hình tính toán cho phép phân tích dữ liệu không gian.
Câu 2. Các thành phần cơ bản của hệ thống GIS.
- Các thành phần cơ bản của hệ thống GIS:
1. Phần cứng:
- Phần cứng của hệ thống GIS là hệ thống máy tính và các thiết bị ngoại vi cho cài đặt và vận hành phần mềm GIS. Phần cứng bao gồm máy vi tính, máy in, bàn số hoá, thiết bị quét, các phương tiện lưu trữ số liệu (như CD, DVD, ổ di động USB).
- Máy tính sử dụng cho các hệ thống GIS nên cân nhắc một số tiêu chí về tốc độ xử lý, khả năng lưu trữ dữ liệu và chất lượng vì hệ thống GIS có đặc trưng khác biệt so với các hệ thống thông tin khác, hệ thống này yêu cầu tích hợp cả dữ liệu đồ họa và phi đồ họa. Một số yêu cầu của máy tính cho cài đặt hệ thống GIS nên cân nhắc:
+ Máy tính trang bị cho cài đặt hệ thống GIS cần phải tương thích với phần mềm đã lựa chọn.
Ví dụ: phần mềm ArcGIS 10 yêu cầu cấu hình máy tính khác so với cấu hình sử dụng cho cài đặt phần mềm ArcView.
+ Tốc độ xử lý dữ liệu nhanh phục vụ truy vấn và phân tích trên cơ sở dữ liệu địa lý có kích thước lớn. Các máy tính cài đặt các phần mềm GIS đòi hỏi tốc độ xử lý nhanh nhằm phục vụ công tác truy vấn cơ sở dữ liệu không gian có kích thước rất lớn.
Ví dụ: cơ sở dữ liệu bản đồ giải thửa trong phạm vi một tỉnh hay toàn quốc rất lớn nên cần phải chọn máy tính có khả năng lưu trữ và xử lý nhanh để phục vụ tra cứu các thông tin liên quan đến thửa đất trong phạm vi toàn tỉnh hay toàn quốc.
+ Khả năng lưu trữ dữ liệu có kích thước lớn hơn máy tính sử dụng cho văn phòng. Các máy tính văn phòng thông thường lưu trữ thông tin dưới dạng các bảng thống kê và văn bản là chính nên máy tính yêu cầu tốc độ xử lứ dữ liệu vừa phải. Cơ sở dữ liệu không gian yêu cầu dung lượng lưu trữ lớn. Đặc biệt, các ứng dụng có liên quan đến lưu trữ và xử lý dữ liệu dạng cấu trúc Raster yêu cầu bộ nhớ có tốc độ xử lý và lưu trữ lớn hơn.
+ Các máy tính được yêu cầu có chất lượng tốt nhằm tránh gây mất mát dữ liệu và ảnh hưởng đến hoạt động của toàn hệ thống.
+ Các loại máy tính sử dụng cho cài đặt hệ thống GIS:
+ Máy chủ: Mục đích chính của máy chủ là lưu và quản lý cơ sở dữ liệu gốc. Máy chủ cũng cho phép sử dụng chung tài nguyên như máy in chung, các loại phần mềm.
+ Máy trạm: Sử dụng để xử lý và hiển thị dữ liệu dạng đồ họa (bản đồ) với chất lượng cao. Máy trạm thường nối với máy tính cỡ lớn hay máy chủ.
+ Máy tính cá nhân: Máy tính để bàn hay máy tính xách tay.
- Bàn số hóa : Bàn số hoá bản đồ bao gồm một bảng hoặc bàn viết mà bản đồ được trải rộng ra và chuột số hóa.
- Máy quét bản đồ: Máy quét chuyển các thông tin trên bản đồ giấy bằng cách tự động dưới dạng cấu trúc Raster. Máy quét sử dụng thiết bị CCD để đọc giá trị phản xạ từ bề mặt bản đồ quét. Máy quét quang học hoạt động theo cơ chế chia bản đồ giấy thành các ô (pixel) dữ liệu. Giá trị phản xạ của mỗi ô được ghi lại và chuyển sang dạng số. Mỗi DN đặc trưng cho giá trị của 1 ô (pixel) của ảnh quét. Sản phẩm cuối là ma trận số hay ảnh số hiển thị trong máy tính.
- Thiết bị đầu ra bao gồm:
+ Máy in
+ Máy vẽ
+ Máy photocopy
- Các thiết bị lưu dữ liệu: Hiện nay các thiết bị lưu dữ liệu rất đa dạng. Đĩa CD và DVD là loại ít thông dụng trong lưu trữ dữ liệu dạng bản đồ vì khả năng lưu trữ dữ liệu kích thước nhỏ. Khả năng lưu dữ liệu của CD là khoảng 0.7 GB, và DVD khoảng 4,5 GB. Các loại ổ cứng di động nên được sử dụng vì thiết bị này có dung lượng lưu trữ dữ liệu kích thước rất lớn. Ví dụ, ổ cứng di động có kích thước lưu trữ từ 500 GB đến 1000 GB là rất tốt cho lưu trữ cơ sở dữ liệu địa lý.
2. Phần mềm:
- Phần mềm GIS cung cấp các chức năng và các công cụ cần thiết để lưu trữ, phân tích và hiển thị thông tin địa lý. Thành phần phần mềm GIS bao gồm hệ điều hành và các phần mềm ứng dụng.
- Hệ thống phần mềm thuộc nhóm hệ điều hành như: Microsoft Windows, Linux,…
- Các phần mềm ứng dụng là các phần mềm GIS và các phần mềm hệ quản trị cơ sở dữ liệu.
- Các phần mềm GIS đã và đang được phát triển rất đa dạng và phong phú. Xu hướng chung hiện nay là các phần mềm GIS cho phép tích hợp dữ liệu không gian với dữ liệu thuộc tính trong cùng hệ thống. Một số hệ thống GIS đang được sử dụng phổ biến trên thế giới:
+ Phần mềm ArcGIS
+ Phần mềm IDRISI
+ Phần mềm Mapinfo
+ Các phần mềm GIS miễn phí: ILWIS, Quantum GIS, GRASS.
- Phần mềm ArcGIS là phần mềm đang được sử dụng rộng rãi nhất tại các cơ sở giáo dục đại học, các cơ sở nghiên cứu và doanh nghiệp trên phạm vi toàn cầu bởi vì hệ phần mềm này hầu như có đầy đủ tất cả các tính năng của các hệ thống GIS.
- Hệ thống phần mềm quản trị cơ sở dữ liệu (DBMS) có thể sử dụng kết hợp với các phần mềm GIS để xây dựng dữ liệu thuộc tính. Một số các phần mềm quản trị có thể sử dụng như Oracle, Microsoft Access, My SQL. Hiện nay các hệ quản trị dữ liệu đều được tích hợp vào trong hệ thống GIS. Hệ quản trị cơ sở dữ liệu có tính an toàn, bảo mật cao, tính nhất quán và toàn vẹn dữ liệu, cho phép các đối tượng sử dụng truy nhập tới cơ sở dữ liệu phân tán như một khối thống nhất. Vì vậy, nó được đánh giá là ưu việt nhất hiện nay.
- Việt Nam đã và đang xây dựng triển khai một số phần mềm GIS cho quản lý đất đai như VILIS và ELIS. VILIS là phần mềm nằm trong đề án “Xây dựng mô hình cơ sở dữ liệu đất đai cấp tỉnh”.
3. Dữ liệu:
- Dữ liệu có thể coi là thành phần quan trọng nhất trong một hệ GIS. Các dữ liệu địa lý và dữ liệu thuộc tính liên quan có thể được người sử dụng tự tập hợp hoặc được mua từ nhà cung cấp dữ liệu thương mại. Dữ liệu được sử dụng trong GIS không chỉ là số liệu địa lý riêng lẽ mà còn phải được thiết kế trong một cơ sở dữ liệu.
- Những thông tin địa lý có nghĩa là sẽ bao gồm các dữ kiện về vị trí địa lý, thuộc tính của đối tượng địa lý và mối quan hệ không gian của các đối tượng địa lý.
- Dữ liệu GIS có thể ở dạng dữ liệu Vector, Raster và bảng thuộc tính.
+ Dữ liệu Vector được trình bày dưới dạng điểm, đường và vùng.
+ Dữ liệu Raster được trình bày dưới dạng lưới ô vuông hay ô chữ nhật đều nhau, giá trị được ấn định cho mỗi ô sẽ chỉ định giá trị của thuộc tính. Số liệu của ảnh vệ tinh, bản đồ quét là các loại cấu trúc dữ liệu Raster.
+ Dữ liệu thuộc tính được trình bày dưới dạng các ký tự, số, hoặc ký hiệu để mô tả các thuộc tính của các thông tin thuộc tính về các đối tượng địa lý.
4. Phương pháp:
- Phương pháp trong các hệ thống GIS bao gồm toàn bộ các thủ tục và thuật toán liên quan đến nhập, biên tập, chuyển đổi dữ liệu, truy vấn và phân tích dữ liệu.
- Các thuật toán là nhóm các chức năng quan trọng nhất của hệ thống thông tin địa lý.
- Các chức năng phân tích có thể nhóm thành:
+ Nhóm thuật toán phân tích không gian: Nhóm này bao gồm cả phân tích dữ liệu Vector và Raster. Các phương pháp phân tích không gian rất đa dạng từ phân tích dữ liệu trên đơn lớp dữ liệu, hai lớp dữ liệu và nhiều lớp dữ liệu (các mô hình toán ứng dụng).
+ Nhóm các thuật toán và thủ tục phân tích dữ liệu thuộc tính.
+ Nhóm các thuật toán và thủ tục phân tích kết hợp cả dữ liệu không gian và thuộc tính.
Câu 3. Thế nào là phân tích dữ liệu trong GIS? Trình bày các phép phân tích dữ liệu cơ bản.
a. Phân tích dữ liệu trong GIS:
- Theo nghĩa hẹp: phân tích dữ liệu địa lý là việc sử dụng các phương pháp để phân tích dữ liệu địa lý.
- Theo nghĩa rộng: phân tích dữ liệu địa lý là quá trình nghiên cứu và tìm ra quy luật phân bố theo không gian của hiện tượng và quá trình diễn ra trên bề mặt Trái đất.
- Mục tiêu cuối cùng của phân tích dữ liệu là cung cấp thông tin hữu ích cho người sử dụng thông tin địa lý như các cơ quan quản lý, người dân và doanh nghiệp
b. Các phép phan tích dữ liệu cơ bản:
Đo đạc
• Chức năng đo đạc là chức năng đơn giản nhất trong phân tích dữ liệu địa lý với cả dữ liệu Raster và Vector. Hầu hết các phần mềm GIS đều có các mô-đun để thực hiện được chức năng đo đạc. Nội dung đo đạc chủ yếu là xác định vị trí, chiều dài, diện tích. Các phép đo này được thực hiện khác nhau giữa hai loại dữ liệu Vector và Raster.
• Đo đạc với dữ liệu Vector:
- Đơn vị cơ bản của dữ liệu là điểm, đường và vùng. Vì vậy, các phép đo đạc sẽ là xác định vị trí, chiều dài, khoảng cách và diện tích của các đối tượng địa lý.
- Vị trí của 1 đối tượng địa lý được lưu dưới dạng một tọa độ x,y với đối tượng điểm, một dãy cặp tọa độ với dạng dữ liệu đường và vùng.
- Vị trí của một vùng thường được xác định thông qua một điểm nhãn vùng. Phần mềm GIS lưu và truy vấn vị trí của vùng qua điểm nhãn vùng này. Phép đo chiều dài của đối tượng dạng đường hay đường ranh giới vùng. Độ dài của đường sẽ bằng tổng các đoạn hay cung cộng lại. Các phân mềm GIS cho phép phân biệt các đoạn thông qua cấu trúc topology. Mỗi đoạn đường hay cung được xác định bởi điểm khởi đầu và điểm kết thúc.
- Đo khoảng cách giữa hai đối tượng địa lý là một trong chức năng quan trọng. Các đối tượng địa lý gồm điểm, đường và vùng vì vậy đo khoảng cách có thể thực hiện với nhiều cặp đối tượng khác nhau như khoảng cách giữa hai điểm, khoảng cách giữa một điểm và một đường.
- Phép đo diện tích được thực hiện với các đối tượng dạng vùng. Vùng đặc trưng cho nhiều đối tượng địa lý khác nhau như đơn vị sử dụng đất; các đơn vị hành chính như xã, huyện, tỉnh; thửa đất. Diện tích của vùng thường được đo đạc thực địa và ghi thành một trường riêng trong tệp dữ liệu. Tuy nhiên, diện tích có thể tính được thông qua các công cụ GIS nếu như vùng đảm bảo đã tạo topology. Phần mềm ArcGIS và FAMIS cho phép thiết lập topology của bản đồ thửa đất, ta có thể tính được diện tích từng thửa đất.
• Đo đạc với dữ liệu Raster:
- Các phép đo đạc trên dữ liệu Raster được thực hiện đơn giản hơn vì cấu trúc dữ liệu Raster đơn giản hơn Vector. Xác định vị trí một điểm là vị trí của pixel trong lớp dữ liệu Raster.
- Vị trí của pixel được xác định bằng tọa độ hàng và cột của lớp dữ liệu. Diện tích được tính bằng tổng các pixel nhân với diện tích một pixel.
- Diện tích của pixel được tính dựa trên độ phân giải.
Ví dụ: ảnh LANDSAT TM có độ phân giải là 30mx30m. Diện tích của một pixel sẽ là 0.09 ha. Khoảng cách được tính bằng chuỗi các pixel theo trật tự nhất định vì đường được hiển thị trong mô hình dữ liệu Raster là chuỗi các pixel.
Chuyển đổi dữ liệu
- Chuyển dữ liệu trong GIS bao gồm: chuyển đổi từ Raster sang Vector và ngược lại; chuyển từ dữ liệu thuộc tính sang bản đồ; các dạng chuyển đổi dữ liệu sử dụng các hàm số sơ cấp như hàm số sine, cosine, tagent, arcsin, arccos, arctan, các hàm số mũ, hàm logarit. Tùy thuộc vào mục đích phân tích dữ liệu và ứng dụng mà lựa chọn sự chuyển đổi dữ liệu cho phù hợp với mục đích phân tích dữ liệu. Ta xét chủ yếu dạng chuyển đổi cơ bản từ dữ liệu Vetor sang dữ liệu Raster và ngược lại.
- Chuyển đổi dữ liệu từ Vector sang Raster có ý nghĩa đặc biệt cho các dự án nghiên cứu có tính toán phức tạp. Các dạng tính toán này cần dữ liệu ở dạng dữ liệu Raster. Dữ liệu Vector nhìn chung chỉ phục vụ tốt mục tiêu hiển thị dữ liệu không gian.
- Một trong những dạng chuyển đổi dữ liệu cơ bản là sự chuyển đổi dữ liệu từ dạng dữ liệu Raster sang Vector và ngược lại. Dữ liệu Vector dạng điểm, đường và vùng đều có thể chuyển sang Raster. Ngược lại, dữ liệu Raster có thể chuyển thành dữ liệu Vector dạng điểm, đường và vùng. Một số phần mềm GIS hỗ trợ sự chuyển đổi này khá thuận tiện.
Ví dụ, phần mềm IDRISI cho phép chuyển đổi liệu Vector sang Raster và ngược lại rất tiện lợi.
Để thực hiện các phép tính toán giữa các lớp bản đồ như các phép tính số học 2 bản đồ hay các phép tính chồng xếp phức tạp hơn, các lớp dữ liệu thường được chuyển sang dạng Raster.
VD: các bản đồ nhân tố về tính chất vật lý và hóa học đất trong đánh giá đất cần kết hợp với nhau để tạo ra bản đồ thích nghi cuối cùng.
Trong trường hợp này, các bản đồ nhân tố đánh giá nên chuyển sang dạng dữ liệu Raster. Ta có thể dễ dàng thực hiện các phép tính đại số bản đồ để tạo ra bản đồ thích nghi (bản đồ kết hợp của các nhân tố đánh giá). Đối với trường hợp chuyển từ Raster sang Vector là sự khái quát hóa phân bố của các hiện tượng cần nghiên cứu.
Chồng xếp dữ liệu
Chồng ghép dữ liệu thực hiện trên cả dữ liệu dạng Vector và Raster:
* Chồng xếp hai lớp dữ liệu Vector
- Chồng xếp hai lớp dữ liệu Vector thực hiện trên cả lớp dữ liệu điểm, đường và vùng.
- Thực chất của phép toán chồng xếp hai lớp dữ liệu Vector này là sự phân chia hai đa giác A1 và A2 của lớp dữ liệu A thành các đa giác nhỏ hơn. Đa giác A1 được chia thành ba đa giác nhỏ hơn là C1, C6 và C2. Đa giác A2 được chia thành các đa giác nhỏ hơn là C4, C5 và C3.
- Ngoài việc tách 1 đa giác thành các đa giác nhỏ hơn, ta có thể thực hiện phép tính ngược lại, tức là gộp các đa giác nhỏ thành đa giác lớn.
- Ứng dụng trong lĩnh vực quản lý đất đai.
* Chồng xếp dữ liệu Raster
- Chồng xếp hai lớp dữ liệu được thực hiện theo từng pixel. Các tính toán: Các phép tính số học và đại số, phép tính so sánh và Boolean cũng được thực hiện theo cấp độ pixel.
- Nguyên lý chung là: Tại vị trí 1 pixel của từng lớp dữ liệu Raster, ta có thể kết hợp lại để tạo thành ô pixl mới. Giá trị của ô pixel mới là kết quả của các phép tính số học như cộng, trừ, nhân, chia hoặc theo các công thức hoặc mô hình tính toán nhất định. Lưu ý rằng tất cả các lớp dữ liệu Raster phải có cùng hệ quy chiếu thì mới có thể thực hiện được phân tích chồng xếp.
- Ứng dụng lĩnh vực QL đất đai và QLTNTN, thực hiện mô hình hóa và mô phỏng nhiều hiện tượng địa lý như: Dự báo xói mòn đất, động đất, hiện tượng ấm nóng toàn cầu,…
- Chồng xếp lớp dữ liệu Raster dựa vào 2 phép tính:
+ Chồng xếp lớp dữ liệu Raster dựa vào phép tính số học: Phép tính số học và đại số là các phép tính cộng, trừ, nhân, chia, hàm số mũ, logarit, các hàm số sơ cấp khác. Mỗi lớp dữ liệu có thể cộng, trừ, nhân, chia với một hằng số nhất định.
+ Chồng xếp các lớp dữ liệu Raster dựa theo phép tính so sánh: Phép tính này để đánh giá 1 ĐK nhất định. Những điều kiện đánh giá gồm > hoặc =, < hoặc = và trong khoảng (> và <).
+ Chồng xếp các lớp dữ liệu Raster dựa theo phép toán Boolean Logic: Phép toán này thực chất là gán giá trị đúng hay sai. Gán giá trị 1 cho điều kiện đúng và giá trị 0 cho điều kiện sai.
Câu 4. Trình bày ưu điểm và nhược điểm của mô hình dữ liệu vector và raster.
a. Mô hình dữ liệu vector
- Ưu điểm;
+ Dữ liệu lưu tốn ít bộ nhớ hơn dữ liệu Raster.
+ Dữ liệu có thể tạo từ độ phân giải gốc, không có sự khái quát hóa dữ liệu.
+ Độ chính xác của dự liệu gốc được duy trì.
+ Cho phép tạo topo cho các đối tượng, thực hiện các phân tích mạng rất tiện ích.
+ Chuyến đổi hệ tọa độ được thực hiện dễ dàng.
+ Truy vấn và cập nhật dữ liệu khá tiện ích và dễ dàng.
- Nhược điểm:
+Cấu trúc dữ liệu phức tạp.
+ Thực hiện các phép toán chồng ghép là rất khó khăn.
+ Vị trí của mỗi điểm phải lưu trữ một cách chính xác.
+ Cho phân tích không gian, dữ liệu Vector phải được chuyển sang mô hình Topology. Quá trình sửa lỗi để tạo Toppology khá tốn kém thời gian. Hơn nữa, dữ liệu Topology phải thường xuyên tạo lại vì các dữ liệu điểm, đường và đa giác thường xuyên thay đổi.
+ Các thuật toán áp dụng cho phân tích không gian rất phức tạp.
+Các dữ liệu liên tục như dữ liệu độ cao, độ dốc không được hiển thị hiệu quả với mô hình dữ liệu Vector.
+Phân tích không gian và làm trơn dữ liệu là không thể thực hiện trong ranh giới của vùng.
b. Mô hình dữ liệu raster.
Ưu điểm:
- Cấu trúc dữ liệu đơn giản, thành phần cơ bản của bản đồ chỉ gồm Pixel.
- Vị trí của mỗi điểm được lưu đơn giản bằng tọa độ hàng và cột của ma trận số.
- Phân tích không gian được thực hiện dễ dàng và thuận tiện.
- Dữ liệu Raster thích hợp cho mô hình hóa và tính toán định lượng.
- Các dữ liệu rời rạc và dữ liệu liên tục như độ cao có thể kết hợp dễ dàng.
- Dữ liệu Raster thích hợp với các thiết bị đầu ra như máy in và hiển thị dữ liệu đồ họa
- Nhiều dữ liệu số như ảnh vệ tinh, ảnh máy bay sẵn có và đa dạng, có khả năng cập nhật nhanh dữ liệu số này.
Nhược điểm:
- Độ phân giải của Pixel hạn chế khả năng mô tả chi tiết đối tượng.
- Rất khó hiển thị các đối tượng hình tuyến chính xác như đường giao thông, thủy văn.
- Xử lý dữ liệu thuộc tính là khó khăn trong trường hợp cơ sở dữ liệu lớn. Mỗi bản đồ Raster chỉ tương ứng với một thuộc tính nhất định.
- Hầu hết các dữ liệu đều tồn tại ở dạng Vector, để sử dụng dữ liệu Raster, ta cần thực hiện chuyển đổi dữ liệu sang dạng Raster.
- Các bản đồ Raster thường có màu sắc kém hấp dẫn và đẹp hơn dữ liệu Vector.
- Chuyển đổi hệ tọa độ thực hiện khó khăn hơn dữ liệu Vector.
III. PHẦN BÀI TẬP
BÀI TẬP
1. Bài tập tăng cường chất lượng ảnh (vẽ Histogram, đánh giá chất lượng ảnh, tăng cường theo hàm tuyến tính).
Cho ảnh số như hình dưới:
30 40 30 50
30 60 40 50
40 40 20 50
30 50 40 40
Hãy:
- Vẽ Histogram của ảnh
- Đánh giá chất lượng ảnh
- Nếu biến đổi Histogram của ảnh theo hàm tuyến tính thì pixel có giá trị 30 sẽ tương ứng với giá trị bằng bao nhiêu trên ảnh mới?
2. Bài tập chuyển đổi ảnh: trừ ảnh, tạo ảnh tỉ số, tính chỉ số thực vật NDVI (thuộc công thức và vận dụng tính toán)
Ảnh vệ tinh đa phổ có kênh đỏ và kênh cận hồng ngoại như hình dưới.
B1: Kênh đỏ B2: Kênh cận hồng ngoại
211 60 41 50 28 234 54 32
63 75 198 39 26 78 68 63
89 124 67 30 57 45 125 87
13 56 40 30 82 19 21 89
Hãy:
- Thực hiện phép trừ ảnh: B1 – B2
- Tạo ảnh tỉ số: B1/B2 (DN làm tròn thành số nguyên)
- Tính chỉ số thực vật NDVI (DN lấy 1 hàng thập phân)