1

Đại học quốc gia hà nội
tr-ờng Đại học khoa học tự nhiên
khoa địa lý Hà nhật bình
Thành lập bản đồ 3d tỷ lệ lớn
trên cơ sở kết hợp công nghệ viễn thám,
hệ thông tin địa lý và bản đồ số Chuyên ngành: Bản đồ, Viễn thám và Hệ thông tin địa lý
Mã số: 60.44.76 Luận văn thạc sĩ khoa học Ng-ời h-ớng dẫn khoa học
PGS. TS Nguyễn Trần Cầu
Hà Nội - 2011



1.1
Bản đồ số và cấu trúc dữ liệu bản đồ số.
5
1.1.1
Khái niệm.
5
1.1.2
Đặc điểm chính.
6
1.1.3
Tính chất của bản đồ số.
8
1.1.4
Cấu trúc dữ liệu của bản đồ số.
9
1.2
Công nghệ Viễn thám, đặc điểm của tƣ liệu viễn thám, khả
năng khái thác tƣ liệu viễn thám trong thành lập bản đồ 3D.
12
1.2.1
Tổng quan về tư liệu viễn thám.
12
1.2.2
Xử lý thông tin viễn thám và khả năng khai thác tư liệu viễn
thám trong thành lập bản đồ 3D.
21
1.3
Đặc điểm của công nghệ GIS, vai trò và chức năng của GIS
thành lập bản đồ 3D.

Viễn thám và GIS thành lập bản đồ 3D.
44
1.6
Phƣơng pháp nghiên cứu.
45

Chƣơng 2: ĐẶC ĐIỂM THÀNH LẬP BẢN ĐỒ 3D
48
2.1
Các phƣơng pháp xây dựng bản đồ 3D bằng tích hợp công
nghệ bản đồ số, Viễn thám và GIS.
48
2.1.1
Thành lập mô hình địa hình 3D từ ảnh máy bay.
48
2.1.2
Thành lập mô hình địa hình 3D từ mô hình địa hình có sẵn.
49
2.1.3
Thành lập mô hình địa hình 3D từ các nguồn ảnh viễn thám
khác.
51
2.2
Khả năng đáp ứng của tƣ liệu viễn thám thể hiện các đối
tƣợng địa lý trên bản đồ 3D tỷ lệ lớn.
53
2.3
Thu thập và xử lý thông tin, xây dựng cơ sở dữ liệu hệ thông
tin địa lý (GIS DataBase) phục vụ thành lập bản đồ 3D tỷ lệ
lớn.

Terra Vista.
63
2.4.10
GeoConcept
64
2.4.11
Geomedia Professional 4.0.
64
2.5
Đề xuất phƣơng pháp xây dựng bản đồ 3D bằng tích hợp
65

3
công nghệ Bản đồ số, Viễn thám và Hệ thông tin Địa lý.

Chƣơng 3: ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ BẢN ĐỒ SỐ, VIỄN
THÁM VÀ HỆ THÔNG TIN ĐỊA LÝ THÀNH LẬP BẢN
ĐỒ 3D TỶ LỆ LỚN
66
3.1
Quy trình công nghệ thành lập bản đồ 3D tỷ lệ lớn trên cơ sở
kết hợp Viễn thám, GIS và công nghệ bản đồ số.
66
3.2
Khả năng áp dụng phần mềm Multigen và ArcGIS trong
việc thành lập bản đồ 3D.
67
3.2.1
Đo đạc ngoại nghiệp, chụp ảnh, xác định độ cao, quay video.
67

Phân tích và hiển thị mô hình địa hình 3D khu vực T82 - Sóc
Sơn.
82
3.3.6
Tương tác với dữ liệu.
85
3.3.7
Nhận định chung và đánh giá kết quả thử nghiệm.
87

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
89

Kết luận, kiến nghị.
90

Hướng nghiên cứu tiếp theo.
91

TÀI LIỆU THAM KHẢO
92

4
DANH MỤC HÌNH

Hình
Nội dung

Viễn thám vũ trụ.
20
Hình 1.11
Cấu trúc của GIS.
22
Hình 1.12
Xác định vùng đệm thể hiện mối quan hệ giữa các đối
tượng.
31
Hình 1.13
Chồng ghép các lớp thông tin.
32
Hình 2.1
Quy trình công nghệ thành lập mô hình địa hình 3D sử
dụng ảnh máy bay.
48
Hình 2.2
Quy trình công nghệ thành lập mô hình địa hình 3D từ mô
hình địa hình có sẵn.
49
Hình 2.3
Quy trình công nghệ thành lập mô hình địa hình 3D từ các
nguồn ảnh viễn thám.
52
Hình 3.1
Quy trình công nghệ.
66
Hình 3.2
Bản đồ 2D khu vực T82.
68

Mô hình TIN.
77
Hình 3.13
Mô hình GRID.
77
Hình 3.14
Sơ đồ tổ chức dữ liệu trong Geo DATABASE
78
Hình 3.15
Tạo mới một Geodatabase trong ArcCatalog.
79
Hình 3.16
Tạo mô hình lưới ban đầu.
80
Hình 3.17
Tạo mới một feature dataset.
81
Hình 3.18
Tạo nội dung các lớp đối tượng của T82 trong ArcMap.
82
Hình 3.19
Import các đối tượng vào mô hình.
83
Hình 3.20
Hộp thoại Layer Properties.
84
Hình 3.21
Tổng quan địa vật mô hình T82.
84
Hình 3.22

CPU (Central Processing Unit): Bộ xử lý trung tâm
CSDL: Cơ sở dữ liệu
DBMS (database Management System): Hệ quản trị cơ sở dữ liệu
DEM (Digital Elevation Model): Mô hình số độ cao
Geo DATABASE: Cơ sở dữ liệu Địa lý
GIS (Geographic Infomation System): Hệ thông tin địa lý
GPS (Global Positioning System): Hệ định vị toàn cầu
GRID: Lưới ô vuông
RS (Remote Sensing): Viễn thám
TIN (Triangulated Inregular Network): Lưới tam giác không đều
VRML (Virtual Reality Modeling Language): Ngôn ngữ mô hình thực tế ảo

7

Më ®Çu

mở ra các lĩnh vực ứng dụng mới.
Việc ứng dụng rộng rãi các công nghệ mới, đặc biệt là công nghệ thông tin
trong thành lập bản đồ đã được thực hiện ở nhiều nước trên thế giới. Ngành Bản đồ
các nước đang hướng đến hai loại bản đồ tiên tiến là bản đồ 3D và bản đồ động.
Bản đồ 3D tỷ lệ lớn với các nhóm nội dung, độ chi tiết khác nhau phục vụ cho các
mục đích du lịch, quy hoạch và dự báo phát triển trong tương lai cũng đã trở thành
thương phẩm thường gặp tại nhiều nước phát triển. Mô hình dữ liệu, phương pháp
thành lập, khuôn dạng số liệu cũng rất đa dạng phụ thuộc vào các công nghệ sẵn có
trong từng trường hợp.
Ở Việt Nam, các ngành Khoa học tuỳ theo yêu cầu riêng và điều kiện vật
chất kỹ thuật của mình cũng đã tạo ra nhiều sản phẩm đồ họa có các yếu tố địa hình
3D trong đó như: sơ đồ tuyến, mặt cắt trong các ngành giao thông, thủy lợi; DEM
được tạo ra trong quá trình xử lý ảnh máy bay; bản đồ tác chiến trong quân sự; mô
hình cảnh quan trong giáo dục hay du lịch. Các số liệu này được thành lập cho một
số khu vực nhưng cũng thiếu tính hệ thống và mang đặc trưng của từng ngành.
Xuất phát từ tình hình thực tế đó, cần nghiên cứu một cách tổng quát và toàn
diện về việc thành lập bản đồ 3D tỷ lệ lớn trên cơ sở kết hợp công nghệ Bản đồ số,
Viễn thám và Hệ thông tin Địa lý, nhằm mục đích thiết lập quy trình công nghệ liên
hoàn từ khi dữ liệu được đưa vào đến khi xuất dữ liệu thành lập bản đồ và chuẩn dữ
liệu cho hệ thống Thông tin địa lý. Tuy nhiên, đây là một công việc lớn, đòi hỏi
nhiều thời gian, công sức và cơ sở vật chất, nên trong khoảng thời gian ngắn không
thể nghiên cứu, giải quyết được tất cả các vấn đề liên quan đến các thể loại bản đồ
3D và bản đồ động. Đề tài: “Thành lập bản đồ 3D tỷ lệ lớn trên cở sở kết hợp công
nghệ Viễn thám, Hệ thông tin Địa lý và Bản đồ số” được chọn, thực hiện, nhằm xây
dựng một mảnh bản đồ thử nghiệm. Những kết quả nghiên cứu này cũng có thể ứng
dựng cho các lĩnh vực khoa học, kinh tế hoặc cho mục đích giáo dục, du lịch và
quân sự 9


10
- Phương pháp nghiên cứu trong phòng.
- Phương pháp Viễn thám.
- Phương pháp Bản đồ.
- Phương pháp khảo sát thực địa.
- Phương pháp GIS.
- Phương pháp Phân tích hệ thống.
6. Cấu trúc của luận văn
Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo, nội dung chính của đề tài
trình bày trong 3 chương:
Chương 1: Cơ sở lý luận và phương pháp nghiên cứu.
Chương 2: Đặc điểm thành lập bản đồ 3D.
Chương 3: Ứng dụng công nghệ viễn thám, Hệ thông tin địa lý và bản đồ số,
thành lập bản đồ 3D tỷ lệ lớn.

tính đến tổng quát hoá và các yêu cầu về độ chính xác”.
Bản đồ 3D: Có một số nhà bản đồ học đã nêu định nghĩa bản đồ 3D, tuy
nhiên mỗi định nghĩa đều mang tính chất tham khảo, ví dụ: “Bản đồ 3D là bản đồ số

12
trong đó các đối tượng nghiên cứu (địa hình, địa vật) được thể hiện bằng dữ liệu
không gian, gắn thuộc tính và hiển thị trong môi trường không gian 3 chiều của các
phần mềm GIS với chiều cao của đối tượng ở các mức độ ký hiệu hóa và khái quát
hóa khác nhau tùy theo mục đích sử dụng”. Một định nghĩa khác, nghiêng về mô tả
sản phẩm: “Bản đồ 3D là bản đồ 2D trong đó thuộc tính về độ cao được gắn vào
đường viền chân nhà, các khối nhà được thể hiện bằng độ cao này hoặc được chi
tiết hóa với mái và ảnh bề mặt. Bản đồ còn hiển thị các đối tượng, thiết bị đường
phố như: biển và đèn báo giao thông, cây, hàng rào và đặc biệt là các đối tượng
mang tính chất mốc định hướng trong khu vực”. Tuy nhiên, theo nhận thức của tác
giả thì có thể hiểu khái niệm bản đồ 3D như sau: Bản đồ 3D, trước hết phải là bản
đồ, phải thỏa mãn đầy đủ các đặc trưng bản chất của bản đồ; mặt khác, bản đồ 3D là
mô hình số thể hiện các đối tượng nghiên cứu (địa hình, địa vật) trong hệ quy chiếu
không gian với mức độ ký hiệu hóa và khái quát hóa khác nhau tùy theo mục đích
sử dụng, được thể hiện đầy đủ cả 3 chiều x, y, h của đối tượng theo đặc trưng không
gian của chúng.
1.1.2. Đặc điểm chính
Bản đồ số trước hết là bản đồ, có đầy đủ các đặc điểm đặc trưng của bản đồ
truyền thống, như:
- Bản đồ là hình ảnh thu nhỏ của một phần hay toàn bộ bề mặt Trái đất, trên
cơ sở toán học xác định, bao gồm: tỷ lệ, phép chiếu, bố cục bản đồ và sai số biến
dạng của bản đồ tùy theo phép chiếu được lựa chọn.
- Các đối tượng và hiện tượng (nội dung bản đồ) được biểu thị theo một
phương pháp lựa chọn và khái quát nhất định (tổng quát hoá bản đồ).
- Các đối tượng và hiện tượng được biểu thị bằng ngôn ngữ bản đồ. Đó là hệ
thống ký hiệu qui ước và những nguyên tắc, những quy định về ngữ nghĩa, cú pháp,

thể đọc, phân tích bản đồ dưới dạng đa tỷ lệ (multiscale).
- Trong thành lập bản đồ giấy, tỷ lệ được xác lập theo diện tích lãnh thổ, do
kích thước của giấy và máy in khống chế. Người ta có thể thành lập bản đồ số
không lệ thuộc vào độ lớn của lãnh thổ, không phụ thuộc vào các điều kiện kỹ thuật
và công nghệ in

14
1.1.3. Tính chất của bản đồ số
Bản đồ số có nhiều tính chất ưu việt hơn bản đồ truyền thống:
- Tính trực quan: cho khả năng giao diện trức tiếp, thuận lợi và linh hoạt giữa
người dùng với thông tin bản đồ, cho ta khả năng bao quát và tiếp thu nhanh chóng
những yếu tố chính, chủ yếu của nội dung bản đồ; có thể biểu diễn địa hình theo các
góc độ khác nhau, tuỳ người sử dụng; do đó cho phép nghiên cứu đánh giá địa hình
tỷ mỷ hơn, chính xác hơn và toàn diện hơn.
- Tính đầy đủ: bản đồ số có khả năng chứa đựng thông tin phong phú và chi
tiết, độ phân giải càng lớn thì tính đầy đủ thông tin về đối tượng nghiên cứu càng
lớn.
- Cấu trúc Bản đồ số có tính chuẩn hoá cao - chuẩn hoá về: dữ liệu, tổ chức
dữ liệu, thể hiện dữ liệu và khai thác thông tin dữ liệu;
- Tính linh hoạt: dễ dàng cập nhật, chỉnh sửa, hoặc có thể thay đổi phương án
thiết kế, trình bày, ký hiệu, chồng xếp hoặc tách lớp thông tin. Do đó, thông tin của
bản đồ luôn mới, họăc theo ý muốn của người quản lý, người sử dụng; trong khi đó
các thông tin cũ vẫn được bảo lưu. Bản đố số còn được phát triển thành dạng bản đồ
mới: bản đồ 3D, 4D, bản đồ động, bản đồ đa phương tiện, truyền trên internet, giao
diện trên các trang web…
- Sử dụng bản đồ số rất tiện lợi:
+ Mọi phép đo được thực hiện dễ dàng, nhanh chóng, chính xác.
+ Dễ dàng xác định toạ độ x, y, h của một điểm, chiều dài của đường, diện
tích của một vùng….
+ Thiết kế, thể hiện nội dung và phân bố của các đối tượng, hiện tượng địa lý
Hình 1.1. Bản đồ Raster
(Ảnh quét từ một mảnh bản đồ địa hình do Cục Bản đồ/BTTM xuất bản)
16
b) Cấu trúc vector
Vector là đại lượng biến thiên có độ lớn và có hướng, và có thể phân tích ra
thành các hợp phần. Cấu trúc vector mô tả vị trí của các đối tượng trong không gian bằng tọa độ
cùng kết cấu hình học gồm đường nét, cạnh, mặt, và quan hệ giữa chúng.
- Các đối tượng địa lý có 3 dạng, phân loại theo đặc trưng hình học:
+ Các đối tượng dạng điểm;
+ Các đối tượng dạng đường;
+ Các đối tượng dạng vùng.
Ghi chú hoặc địa danh được xếp vào một dạng riêng - là dạng ký tự - Text.
- Những đối tượng có cùng danh sách thuộc tính như nhau được xếp vào một

trúc trên.
d- Topology
- Khái niệm: Topology là thuộc tính không gian của đối tượng. Nó phản ánh
các mối quan hệ giữa các đối tượng hoặc các thành phần của chúng trong không
gian, ví dụ, hai đối tượng nằm bên trái, bên phải, hay phủ nhau.
- Các tình huống topology
Khi mô tả topology cần xem xét các tình huống sau:
+ Liên thông (connective);
+ Phủ (overlap);
+ Kề (adjacency);
+ Lân cận (neighbouhood).
18
1.2. CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM, ĐẶC ĐIỂM CỦA TƯ LIỆU VIỄN THÁM, KHẢ
NĂNG KHAI THÁC TƯ LIỆU VIỄN THÁM TRONG THÀNH LẬP BẢN ĐỒ 3D
1.2.1 Tổng quan về tư liệu viễn thám
Trên thực tế, có nhiều định nghĩa về Viễn thám. Có thể định nghĩa Viễn thám
như sau: Viễn thám là một khoa học và là một công nghệ nghiên cứu các thông tin
thu nhận được thông qua phân tích các dữ liệu nhận được bằng các công cụ kỹ thuật
mà không tiếp xúc trực tiếp với đối tượng, một vùng hay một hiện tượng tự nhiên
hay dân cư, kinh tế
Hình 1.3. Nguyên lý viễn thám quang học
(Trích từ )

Mặc dù có rất nhiều định nghĩa khác nhau về Viễn thám, nhưng mọi định nghĩa

điện từ trong không gian hoặc trong lòng các vật chất. Qúa trình lan truyền của sóng
điện từ tuân theo định luật Maxwel. Bức xạ điện từ có các tính chất sóng và hạt.

Hình 1.5. Một số khái niệm cơ bản về bức xạ điện từ và khả năng khai thác thông tin
Tính chất sóng được xác định bởi bước sóng, tần số và tốc độ lan truyền.
Tính chất hạt được mô tả theo các tính chất của quang lượng tử hay photon. Bức xạ
điện từ có 4 tính chất cơ bản đó là tần số hay bước sóng, hướng lan truyền, biên độ
và mặt phân cực. Hình trên (hình 1.5) là một số khái niệm cơ bản về bức xạ điện từ
và các thông tin có thể nhận biết được thông qua những tính chất của nó. Bốn thuộc
tính cơ bản của bức xạ điện từ liên quan tới các nội dung thông tin khác nhau. Ví dụ
tần số hay bước sóng liên quan tới màu sắc. Hình dạng hay cấu trúc bên ngoài của
vật thể dẫn tới sự phân cực khác nhau của bức xạ điện từ …

21
Tớnh cht súng c mụ t thụng qua biu thc:
= v / f
Súng in t lan truyn trong chõn khụng vi vn tc khụng i v bng
2.998 x 10
8
m/s. Trong lũng khớ quyn v trong lũng cỏc vt cht khỏc súng in t
lan truyn vi vn tc nh hn nhng cng gn bng vn tc lý thuyt nh vy.
Tớnh cht ht c mụ t qua cỏc nh lut ca c hc lng t. Súng in t
c coi nh cỏc lng t. Nng lng E ca nú xỏc nh theo cỏc biu thc.
E = hf trong đó: h là hằng số Plank v f là tần số.
Cỏc hin tng quang in t u cú th c gii thớch da trờn cỏc tớnh
cht súng v ht ca súng in t. Bc x in t cú 4 thụng s c bn ú l tn s,
hng lan truyn, biờn v mt phõn cc.
Cỏc thụng s ny cú th s dng trong vic khai thỏc thụng tin nh. Vớ d tn
s cú th c dựng xỏc nh vn tc chuyn ng ca vt th da trờn hiu ng
Doppler, hng lan truyn c s dng phỏt hin cỏc cu trỳc ca i tng,
Hình 1.6. Đặc trưng dải sóng dùng trong viễn thám

5


band
W
V
C
Kr
K
K
u

0.8
tÝm
xanh n-íc biÓn
xanh l¸ c©y
vµng
®á
gÇn hång ngo¹i
Sãng ng¾n
hång ngo¹i
1
5
7
10
b-íc sãng
hång
ngo¹i
trung
hång ngo¹i nhiÖt
sãng cùc ng¾n
EHF
SHF
UHF
VHF
HF
MF
LF
VLF
sãng radio

23
Hỡnh 1.7. S phõn loi vin thỏm theo bc súng

5


Viễn thám trong dải sóng
nhìn thấy và hồng ngoại

Viễn thám hồng
ngoại nhiệt
Viễn thám siêu
cao tần
Bộ cảm
a
b
Nguồn bức
xạ
Mặt trời
Vật thể

0.7 m
1 mm
Hồng ngoại
Hồng ngoại nhiệt
Sóng dài
0.3 m
0.9 m
1.4 m
1mm
30cm

24
Nguồn năng lượng chính sử dụng trong nhóm a là bức xạ mặt trời. Bức xạ
Mặt trời có bước sóng là 0.5 micro mét. Tư liệu viễn thám thu được trong dải sóng
nhìn thấy phụ thuộc chủ yếu vào sự phản xạ từ bề mặt vật thể và bề mặt Trái Đất.
Vì vậy, các thông tin về vật thể có thể được xác định từ các phổ phản xạ. Đây là
nhóm kỹ thuật được sử dụng nhiều nhất. Nó cho hình ảnh chất lượng rất cao và hợp
với tư duy giải đoán của con người. Điểm yếu của nó là rất phụ thuộc vào thời tiết.
Chỉ những khi trời trong, không mây, không mưa thì tư liệu thu được mới có thể sử
dụng được.
Nguồn năng lượng sử dụng trong nhóm b là bức xạ nhiệt do chính vật thể sản
sinh ra. Mỗi vật thể trong nhiệt độ bình thường đều tự phát ra một bức xạ và có đỉnh
tại bước sóng 10 µm. Các bộ cảm dựa theo nguyên lý này thường thu nhận thông tin
về đêm. Tư liệu thu được cho phép xác định các nguồn nhiệt trên bề mặt Trái Đất.
Trong viễn thám siêu cao tần, hai loại kỹ thuật chủ động và bị động đều được
áp dụng. Viễn thám siêu cao tần bị động thì bức xạ siêu cao tần do chính vật thể
phát ra được máy thu ghi lại; trong khi viễn thám siêu cao tần chủ động lại thu
những bức xạ, tán xạ hoặc phản xạ từ vật thể sau khi được phát ra từ các máy phát
đặt trên vật mang. Nhìn chung, kỹ thuật chủ động được ứng dụng nhiều và cho hiệu
quả cao bởi lẽ điều kiện quan trắc không bị giới hạn bởi điều kiện không mây của