Hệ thống thông tin địa lý (gis) - Chương 2: Hệ thống tham chiếu không gian

HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ (GIS) (CH2 – HỆ THỐNG THAM CHIẾU KHÔNG GIAN) Phan Trọng Tiến Bộ môn Công nghệ phần mềm – Khoa CNTT Học Viện Nông nghiệp Việt Nam Website: Email: phantien84@gmail.com Tại sao chúng ta cần biết Hệ tọa độ? q Biết được Hệ tọa độ có thể giúp bạn hiểu được: q Tại sao hai bản đồ cùng kích thước lại không chồng khớp lên nhau. q Tại sao kích thước được đo trên bản đồ này có thể khác với kích thước được đo của cùng một miền trên bản đồ khác. q Tại sao một đối tượng có thể xuất hiện trên bản đồ này mà lại không xuất hiện trên bản đồ khác. q Và các vấn đề với dữ liệu không gian Ch2 - Hệ thống tham chiếu không gian 2 Bản đồ là gì? q Theo Robinson (1984): q Là sự trình bày thu nhỏ về diện tích q Là sự chuyển đổ toạ độ của một bề mặt không gian bằng phẳng trên trái đất về một lưới chiếu phẳng q Là sự khái quát hoá thế giới thực q Là sự truyền tải hữu hiệu các mối quan hệ không gian q Bản đồ địa hình có thể coi là loại thông tin nền cho mọi bản đồ chuyên môn khác q Bản đồ số có khả năng lưu trữ, cập nhật và phân tích Ch2 - Hệ thống tham chiếu không gian 3 Nguyên tắc đầu tiên q Làm cách nào để thể hiện dữ liệu đo được trên trái đất lên bản đồ. q Cách nào để mô hình hóa trái đất để mọi thứ trên trái đất đều được thể hiện trên bản đồ. q Cách nào để thông tin 3 chiều (chiều dài, chiều rộng và chiều cao) thành 2 chiều (chiều dài và chiều rộng) q Để thực hiện việc trên -> Liên quan đến khoa đo đạc (geodesy). Ch2 - Hệ thống tham chiếu không gian 4 Khoa đo đạc q Là gốc của việc tạo bản đồ và phân tích dữ liệu không gian. q Là khoa học nghiên cứu cách đo đạc hình dáng và kích thước của trái đất. q Nhà đo đạc luôn luôn cố gắng áp dụng các mô hình toán để tăng độ chính xác hình dạng của trái đất. q -> Giúp làm các bản đồ tốt hơn Ch2 - Hệ thống tham chiếu không gian 5 Các nhà đo đạc làm việc với gì? q Trái đất (Earth) q Thể địa cầu (Geoid) q Và các mô hình hóa trái đất (Ellipsoids và Spheroids) Ch2 - Hệ thống tham chiếu không gian 6 Trái đất (Earth) q Là cái chúng ta sống trên nó q Nhưng nó không phải là hình cầu hoặc elip q Nó quá phức tạp để mô hình hóa một cách chính xác nó Ch2 - Hệ thống tham chiếu không gian 7 Thể địa cầu (Geoid) q Là một bề mặt hấp dẫn bằng nhau của trái đất q Có rất nhiều thể địa cầu q Một thể địa cầu thường được sử dụng tại điểm trung bình của mực nước biển. q Thể địa cầu là ít phức tạp hơn trái đất, nhưng vẫn khó khăn trong việc mô hình hóa nó. Ch2 - Hệ thống tham chiếu không gian 8 Ellipsoid / Spheroid (dạng elip/ dạng cầu) q Các mô hình hóa trái đất đưa về các dạng Elip và dạng hình cầu. q Với một bản đồ, dạng Ellipsoid / Spheroid được chấp nhận là phù hợp nhất với quả địa cầu tại vị trí làm bản đồ đó. q Ví dụ với bản đồ thế giới, elippsoid thích hợp nhất để mô tả toàn bộ quả địa cầu. Ch2 - Hệ thống tham chiếu không gian 9 Mối quan hệ giữa trái đất, thể địa cầu, và ellipsoid Ch2 - Hệ thống tham chiếu không gian 10 ELLIPSOID Ch2 - Hệ thống tham chiếu không gian 11 Các elippsoid đã được sử dụng cho các bản đồ Viêt nam q Everest ellipsoid q Clarke ellipsoid q Krassovsky ellipsoid q World Geodetic Spheroid 1984 (WGS84) q Có 100 elippsoid cho trái đất. Ch2 - Hệ thống tham chiếu không gian 12 Một Elippsoid q là một đối tượng 3 chiều q Phép đo trên một Elippsoid được tạo bởi vĩ độ - latitude (= north/south) và kinh độ - longtitude (= east/west) q Để thuận tiện: q 0 ứng với north/south là đường xích đạo. q 0 ứng với east/west kinh tuyến Greenwich (GMT), English Ch2 - Hệ thống tham chiếu không gian 13 Kinh độ và vĩ độ Ch2 - Hệ thống tham chiếu không gian 14 Đường kinh độ (Kinh tuyến) N S W E Phạm vi: 180ºW - 0º - 180ºE Đường vĩ độ (Vĩ tuyến) N S W E Phạm vi: 90ºS - 0º - 90ºN (0ºN, 0ºE) Đường xích đạo, Đường kinh tuyến gốc Kinh độ và vĩ độ q Vĩ độ (φ): là góc tạo bởi đường thẳng nối điểm đó với tâm hình cầu và măt phẳng xích đạo q Kinh độ(λ): là góc tạo bởi mặt phẳng kinh tuyến đi qua điểm đó và kinh tuyến gốc Ch2 - Hệ thống tham chiếu không gian 15 Các biến của Elipsoid Ch2 - Hệ thống tham chiếu không gian 16 Một số ellipsoid sử dụng chính Ch2 - Hệ thống tham chiếu không gian 17 Mốc tọa độ (datum) q  Mốc tọa độ cần được định nghĩa để cho phép thực hiện các phép đo trên trái đất tương ứng với một vị trí trên ellipsoid. q  Mốc tọa độ định nghĩa kích thước và hình dáng của trái đất với gốc và hướng của tọa độ hệ thống được sử dụng trên bản đồ. q  Có 1000 mốc tọa độ cho trái đất – hầu hết mỗi nước có một hoặc nhiều mốc tọa độ riêng. Ch2 - Hệ thống tham chiếu không gian 18 Hệ tọa độ Vietnam q Được xây dựng lần đầu tiên bởi người Pháp năm 1887 Bây giờ bạn có thể tìm: q Pulkovo q Indian q Hanoi 72 q WGS 84 q VN 2000 Ch2 - Hệ thống tham chiếu không gian 19 Một mốc tọa độ có q Thông tin liên quan đến vị trí được định nghĩa trong các biến của mốc. q Là một vị trí ba chiều. q Có thể được chiếu tới không gian hai chiều. q Có rất nhiều phép chiếu Ch2 - Hệ thống tham chiếu không gian 20 Cơ sở phép chiếu q Bề mặt trái đất là xấp xỉ dạng cầu q Nếu một phần bề mặt trái đất được chiếu tới mặt phẳng thì nó sẽ bị biến dạng Ch2 - Hệ thống tham chiếu không gian 21 Phép chiếu bản đồ Ch2 - Hệ thống tham chiếu không gian 22 Theo McDonnell Phép chiếu bản đồ q  Phép chiếu bản đồ được xác định bởi một hàm quan hệ giữa các điểm (x,y) trên bề mặt phẳng (map) và (φ,λ) trên globe mà mỗi cặp (x,y) tương ứng với duy nhất một cặp (φ,λ) và ngược lại q φ = latitude q λ = longitude q x = f(φ,λ) q y = g(φ,λ) Ch2 - Hệ thống tham chiếu không gian 23 Một vài khái niệm q  Giả sử trái đất được coi như một mặt cầu q  Kinh tuyến (meridian) miêu tả kinh độ (longtitude) của một điểm q  Vĩ tuyến (Parallel) miêu tả vĩ độ (lattitude) của một điểm q  Giao các đường kinh độ và vĩ độ tạo thành một lưới địa lý (graticule) q  Đường xích đạo (great circle) được hình thành bởi giao điểm của bề mặt trái đất với một mặt phẳng đi qua trung tâm của trái đất (= đường bay ngắn nhất). Ch2 - Hệ thống tham chiếu không gian 24 Phép chiếu bản đồ Ch2 - Hệ thống tham chiếu không gian 25 Bề mặt cong trái đất Tọa độ địa lý: φ, λ (Latitude & Longitude) Bản đồ phẳng Tọa độ Đề các: x,y (Easting & Northing) Earth tới Globe tới Map Ch2 - Hệ thống tham chiếu không gian 26 Miêu tả bởi phân số Globe distance Earth distance = Tỷ lệ bản đồ: Phép chiếu bản đồ: Hệ số tỷ lệ Map distance Globe distance = (vd: 1:24000) (vd: 0.9996) Phép chiếu biến dạng ->Bản đồ biến dạng q Một số phép chiếu biến dạng hình dạng q Một số phéo chiếu biến dạng diện tích q Một số phép chiếu biến dạng khoảng cách q Một số phép chiếu biến dạng hướng q Cần lựa chọn phép chiếu khi sử dụng trong trường hợp cụ thể. Ch2 - Hệ thống tham chiếu không gian 27 Chỉ số Tissot q Miêu tả sự biến dạng đồ hoạ tại một vị trí đặc biệt trên bản đồ q Chỉ số này đánh giá kết quả hình dáng của một vòng tròn trên bề mặt trái đất được vẽ tương ứng lên bản đồ q Hình dáng, kích thước và hướng của chỉ số phụ thuộc vào phép chiếu được sử dụng q Ví dụ phép chiếu bảo toàn hình (conformal) hình tròn sẽ được bảo toàn q Dùng để đánh giá trực quan hiệu quả của phép chiếu Ch2 - Hệ thống tham chiếu không gian 28 Chỉ đồ Tissot Ch2 - Hệ thống tham chiếu không gian 29 Phép chiếu bằng diện tích (Equal Area) q Diện tích của chỉ số Tissot trên bề mặt là giống trên globe q Do đó, hình dáng sẽ bị thay đổi Ch2 - Hệ thống tham chiếu không gian 30 Phép chiếu bảo toàn hình (conformal) q Hình dáng của chỉ số Tissot trên bề mặt là giống như trên globe q Do đó, diện tích thay đổi Ch2 - Hệ thống tham chiếu không gian 31 Phép chiếu cách đều (Equidistant) q Độ dài của chỉ số Tissot là không thay đổi theo một hướng Ch2 - Hệ thống tham chiếu không gian 32 Biểu diễn bề mặt lên bản đồ q là cách biểu diễn mặt cầu (globe) chiếu lên bề mặt bản đồ q Các kiểu cơ bản: Góc phương vị (Azimuthal hay planar), Hình nón (Conic), Hình trụ (cylindrical) Ch2 - Hệ thống tham chiếu không gian 33 Các phép chiếu Ch2 - Hệ thống tham chiếu không gian 34 Đường chuẩn (Standard line) q Đường chuẩn là một đường thẳng có chiều dài là giống nhau trên globe và trên bản đồ Ch2 - Hệ thống tham chiếu không gian 35 Phép chiếu góc phương vị q Lưới địa lý được chiếu vào mặt tiếp xúc hoặc mặt cắt q Biến dạng tăng dần từ vị trí tâm q Thường dùng cho các bản đồ của vùng cực Ch2 - Hệ thống tham chiếu không gian 36 Phép chiếu hình trụ q Lưới địa lý được chiếu vào một hình trụ q Tiếp tuyến các phép chiếu luôn luôn có một đường chuẩn không thay đổi q Độ biến dạng tăng dần từ đường chuẩn Ch2 - Hệ thống tham chiếu không gian 37 Phép chiếu hình nón q Được chiếu vào mặt tiếp xúc hoặc mặt cắt của hình nón q Biến dạng ít nhất trên toàn bộ bản đồ Ch2 - Hệ thống tham chiếu không gian 38 Phép chiếu theo vị trí q Thẳng đứng (regular), Chiếu xiên (oblique) và chiếu ngang (transverse) q Hướng chiếu của bề mặt xác định bởi đường chuẩn Ch2 - Hệ thống tham chiếu không gian 39 Một vài phép chiếu được chọn q Mercator Projection q Transverse Mercator Projection q Lamberts conformal conic projection q Albers equal area projection q Và nhiều phép chiếu khác... Ch2 - Hệ thống tham chiếu không gian 40 Albers equal area conic q Phép chiếu hình nón q  Đường chuẩn là vĩ tuyến q  Bằng về diện tích q  Thường dùng cho atlas q  Diện tích bảo toàn trên diện tích lớn Ch2 - Hệ thống tham chiếu không gian 41 Lambert conformal conic q  Hình nón q  Bảo toàn hình dáng (conformal) q  Đường chuẩn là vĩ tuyến q  Sử dụng cho atlas, biểu đồ hàng không q  Được sử dụng trong bản đồ hàng hải Ch2 - Hệ thống tham chiếu không gian 42 Mercator projection q  Hình trụ q  Đường chuẩn là đường xích đạo q  Đường kinh tuyến thẳng đứng q  Bảo toàn hình q  Dùng cho bản đồ thế giới Ch2 - Hệ thống tham chiếu không gian 43 Tranverse Mercator q  Hình trụ q  Bảo toàn hình q  Đảo ngược (xoay 90 độ) q  Đường chuẩn là đường kinh tuyến q  Dùng cho các bản đồ khu vực Ch2 - Hệ thống tham chiếu không gian 44 Universal Transverse Mercator (UTM) o  Mercator đã lập ra phép chiếu vào thế kỷ 16 o  60 múi (zone) o  Mỗi zone là 6° rộng (≈ 660,000 m) và chạy từ 80° S tới 84° N o  Đơn vị đo bằng meter o  Các toạ độ sử dụng là northings và eastings o  Ở bán cầu bắc, northing được đo từ đường xích đạo, eastings từ đường kinh tuyến trung tâm (có giá trị 500000 m) Ch2 - Hệ thống tham chiếu không gian 45 Chi tiết lưới UTM Ch2 - Hệ thống tham chiếu không gian 46 Đăng ký tọa độ cho bản đồ Bản đồ chưa đăng ký tọa độ. Bờ biển dựa trên Lambert Conformal Conic, trong khi sông suối dựa trên Polyconic projection, ranh giới dựa trên Mercator Ch2 - Hệ thống tham chiếu không gian 47 Bản đồ tương tự đã được đăng ký tọa độ dựa trên hệ quy chiếu Lambert Conformal Conic. Ch2 - Hệ thống tham chiếu không gian 48 H×nh d¹ng tr¸i ®Êt rÊt phøc t¹p. B¶n ®å nµy chØ ra ®é lÖch cña geoid tõ h×nh d¹ng ®¬n gi¶n h¬n. World Geodetic Data System ellipsoid n¨m 1984. MiÒn cña ®é lÖch n»m tõ 75 m (mµu ®á) -New Guinea ®Õn 104 m (mµu tÝm, ë Ên ®é d­¬ng). Source: U.S. National Geodetic Survey. Hệ thống tọa độ (coordinate system) q Quyết định vị trí bắt đầu và đo mọi thứ nó có q Tọa độ hệ thống có thể chọn: q Latitude và longitude (độ, phút, giây) q Dạng lưới (như UTM, UPS, Gaussian) q Tọa độ hệ thống có: q Mốc q Đơn vị đo lường q Hướng q (Phạm vi) Ch2 - Hệ thống tham chiếu không gian 49 Hệ thống tọa độ q Hệ thống tọa độ hai chiều được định nghĩa bởi một cặp trục (x,y) trực giao vẽ qua một gốc. Ch2 - Hệ thống tham chiếu không gian 50 (φo,λo) (xo,yo) X Y Origin Hệ thống tọa độ được sử dụng tại VN q Latitude / Longitude (geographic) q Gaussian Grid q UTM Grid q Local Coordinate Systems (cho các bản đồ riêng như các bản đồ về du lịch ) Ch2 - Hệ thống tham chiếu không gian 51 Việt nam nằm ở zone 48 và 49 Ch2 - Hệ thống tham chiếu không gian 52 Hệ quy chiếu VN2000 q Trước khi có VN2000, Việt nam từng sử dụng Ellipsoid Clark do Pháp xây dựng cho vùng Đông Dương, Ellipsoid Everest của Mỹ cho vùng Nam Á, Ellipsoid Kravsoky của Liên xô (HN 72) q VN 2000 là hệ quy chiếu WGS-84 q Bán trục lớn a = 6378137,0 m q Độ dẹt f = 1: 298,257223563 q Gốc đặt tại Viện Địa chính VN Ch2 - Hệ thống tham chiếu không gian 53 Hệ qui chiếu VN 2000 q Lưới chiếu hình nón cho bản đồ 1/1.000.000 q Lưới chiếu trụ ngang đồng góc UTM với múi chiếu 6o cho bản đồ địa hình, bản đồ nền, bản đồ hành chính quốc gia ở tỉ lệ 1/500.000 đến 1/25.000 q Lưới chiếu trụ ngang đồng góc UTM với múi chiếu 3o cho bản đồ địa hình, bản đồ nền, bản đồ hành chính quốc gia từ 1/10.000 tới 1/2.000 Ch2 - Hệ thống tham chiếu không gian 54 Tỷ lệ bản đồ là gì? q  Tỷ lệ bản đồ chỉ mức độ thu nhỏ của bản đồ so với thực tế. Cần phải có một tỷ lệ bản đồ thích hợp và thống nhất cho các đối tượng địa lý trong một CSDL GIS. Tùy theo quy mô, tính chất của bản đồ để chọn tỷ lệ thích hợp. q  Tỷ lệ của một bản đồ phụ thuộc vào lượng thông tin và độ lớn của vùng sẽ được thể hiện trên bản đồ. Bản đồ có tỷ lệ lớn sẽ trình bày các đặc tính địa lý một cách chi tiết hơn nhưng chỉ thẻ hiện được vùng nhỏ hơn vì số thu nhỏ của bản đồ lớn hơn. (vd: bản đồ tỷ lệ 1:10000). Bản đồ có tỷ lệ nhỏ (1:250000) có thể trình bày được một vùng rộng lớn nhưng mức độ thể hiện chi tiết sẽ nhỏ hơn vì hệ số thu nhỏ sẽ lớn hơn. Có 3 cách thể hiện tỷ lệ 1.  Thanh tỷ lệ 2.  Mô tả tỷ lệ bằng lời 3.  Miêu tả bằng phân số Ch2 - Hệ thống tham chiếu không gian 55 Tỷ lệ bản đồ Tû lÖ b¶n ®å Ch2 - Hệ thống tham chiếu không gian 56 Tû lÖ ¶nh hµng kh«ng Tỷ lệ là gì? Ch2 - Hệ thống tham chiếu không gian 57 Thanh tỷ lệ Tỷ lệ là gì? q  Tỷ lệ bằng lời: tỷ lệ của một bản đồ mà thể hiện mối quan hệ giữa khoảng cách trên bản đồ và khoảng cách trên bề mặt trái đất được sử dụng bằng lời. Ví dụ: ‘Một cm đại diện cho 10 km’ q  Phân số miêu tả: tỷ lệ của một khoảng cách trên bản đồ với một khoảng cách tương đương được đo cùng một đơn vị trên bề mặt Trái đất Ví dụ: Một tỷ lệ bản đồ 1:50 000 có nghĩa là một cm trên bản đồ bằng 50 000 cm trên bề mặt Trái đất. Ch2 - Hệ thống tham chiếu không gian 58 Tỷ lệ là gì? Ch2 - Hệ thống tham chiếu không gian 59 q  Mức độ chi tiết của dữ liệu không gian Tỷ lệ là gì? Ch2 - Hệ thống tham chiếu không gian 60 Các tỷ lệ thông dụng q Với phép chiếu Robinson, v.v q 1:2,000 = tỉ lệ bản đồ lớn q 1:1,000,000 = tỉ lệ bản đồ nhỏ Ch2 - Hệ thống tham chiếu không gian 61 Độ phân giải là gì? (Hệ thống viễn thám) Ch2 - Hệ thống tham chiếu không gian 62 1.  Một vùng được thể hiện bằng một pixel trên ảnh Độ phân giải không gian Độ phân giải là gì? (Hệ thống viễn thám) 2. Độ phân giải phổ: Những phần của phổ điện từ mà được đo bởi hệ thống viễn thám. .Landsat TM: blue, green, red, nir, mir, tir .SPOT: giải sóng nhìn thấy, green, red, ir 3. Độ phân giải về thời gian (Chu kỳ): tần số xuất hiện mà các ảnh được thu thập tại cùng một vùng trên bề mặt của Trái đất bởi hệ thống viễn thám. .Landsat TM: 16 ngày .SPOT: 28 ngày Ch2 - Hệ thống tham chiếu không gian 63 Độ phân giải là gì? (Hệ thống viễn thám) Ch2 - Hệ thống tham chiếu không gian 64 q  4. Sự chi tiết của các bản đồ mà mô tả vị trí và hình dạng của các đối tượng địa lý. Độ phân giải cao Độ phân giải thấp hơn Mối quan hệ giữa tỉ lệ và độ phân giải q Giả sử độ phân giải tối thiểu là 0.5 mm là độ phân giải có thể phân biệt được đối tượng Ch2 - Hệ thống tham chiếu không gian 65 Scale Effective Resolution Min Resolvable Area 1:2000 1 m 1 m2 1:10,000 5 m 25 m2 1:24,000 12 m 0.0144 ha 1:50,000 25 m 0.0625 ha 1:100,000 50 m 0.25 ha 1:250,000 125 m 1.56 ha 1:500,000 250 m 6.25 ha 1:1,000,000 500 m 25 ha 1:10,000,000 5 km 2500 ha Lo & Yeung p. 114