Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu xây dựng công cụ tổng quát hóa tự động yếu tố dạng vùng từ bản đồ địa hình 1:25 000 về 1:50 000

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:20

Thêm vào BST

Báo xấu

45
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn góp phần xây dựng cơ sở khoa học trong việc xây dựng các công cụ tổng quát hóa tự động cho các đối tượng địa lý. Trong phạm vi nghiên cứu của luận văn đã giúp làm sáng tỏ phần xây dựng các công cụ tổng quát hóa tự động các yếu tố vùng sang dạng tuyến đáp ứng yêu cầu từ cơ sở dữ liệu phủ trùm chiết xuất dữ liệu và xây dựng nên bản đồ ở các dãy tỷ lệ khác nhau.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu xây dựng công cụ tổng quát hóa tự động yếu tố dạng vùng từ bản đồ địa hình 1:25 000 về 1:50 000

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Bùi Thế Anh NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG CÔNG CỤ TỔNG QUÁT HÓA TỰ ĐỘNG YẾU TỐ DẠNG VÙNG TỪ BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH 1: 25 000 VỀ 1: 50 000 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2016
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Bùi Thế Anh NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG CÔNG CỤ TỔNG QUÁT HÓA TỰ ĐỘNG YẾU TỐ DẠNG VÙNG TỪ BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH 1: 25 000 VỀ 1: 50 000 Chuyên ngành: Bản đồ, viễn thám và hệ thông tin địa lý Mã số: 60440214 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Bùi Quang Thành XÁC NHẬN HỌC VIÊN ĐÃ CHỈNH SỬA THEO GÓP Ý CỦA HỘI ĐỒNG Giáo viên hướng dẫn Chủ tịch hội đồng chấm luận văn thạc sĩ khoa học TS. Bùi Quang Thành PGS.TS. Đinh Thị Bảo Hoa Hà Nội - 2016
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của TS. Bùi Quang Thành. Các số liệu sử dụng phân tích trong Luận văn có nguồn gốc rõ ràng, đã công bố theo đúng quy định. Kết quả nghiên cứu trong Luận văn do tôi tự tìm hiểu, phân tích một cách trung thực, khách quan. Các kết quả này chưa từng được công bố trong bất kỳ nghiên cứu nào khác, không vi phạm bất cứ điều gì trong luật sở hữu trí tuệ và pháp luật Việt Nam. Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm. TÁC GIẢ LUẬN VĂN Bùi Thế Anh
MỤC LỤC MỤC LỤC ............................................................................................................................ 1 DANH MỤC BẢNG BIỂU................................................................................................. 3 DANH MỤC HÌNH VẼ ...................................................................................................... 4 BẢNG KÝ HIỆU CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT ................................................................. 6 MỞ ĐẦU .............................................................................................................................. 7 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ TỔNG QUÁT HÓA XÂY DỰNG BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH ......................................................................................................... 12 1.1. Tổng quan về tổng quát hóa bản đồ ........................................................................... 12 1.1.1. Khái quát về tổng quát hóa bản đồ .................................................................. 12 1.1.2. Các hình thức tổng quát hóa bản đồ ............................................................... 19 1.1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến tổng quát hóa bản đồ ........................................... 21 1.1.4. Các phương pháp xác định chỉ tiêu tổng quát hóa ......................................... 25 1.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu trên thế giới và ở Việt Nam ................................. 30 1.2.1. Tình hình nghiên cứu, ứng dụng tổng quát hóa tự động trên thế giới........... 30 1.2.2. Tình hình nghiên cứu, ứng dụng tổng quát hóa tự động tại Việt Nam .......... 31 Chương 2. ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN TRONG TỔNG QUÁT HÓA YẾU TỐ ĐỊA LÝ XÂY DỰNG BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH .................................................. 34 2.1. Đặc điểm tổng quát hóa một số yếu tố nội dung cơ bản của bản đồ địa hình ......... 34 2.1.1. Tổng quát hóa hệ thống thủy văn và các đối tượng liên quan trên bản đồ địa hình ................................................................................................................... 34 2.1.2. Tổng quát hóa hình thái địa hình trên bản đồ địa hình.................................. 40 2.1.3. Tổng quát hóa yếu tố thực vật trên bản đồ địa hình ....................................... 48 2.1.4. Tổng quát hóa vùng dân cư trên bản đồ địa hình........................................... 49 2.1.5. Tổng quát hóa đường giao thông trên bản đồ địa hình ................................. 55 2.1.6. Tổng quát hóa ranh giới hành chính và tường rào trên bản đồ địa hình .... 58 2.2. Thuật toán trong tổng quát hóa dữ liệu dạng vùng ................................................... 59 2.2.1. Các bài toán và phương pháp tổng quát hóa dữ liệu dạng vùng .................. 59 2.2.2. Thuật toán tổng quát hóa dữ liệu đối tượng dạng vùng ................................. 65 1
Chương 3. THỬ NGHIỆM CÔNG CỤ TỔNG QUÁT HÓA TỰ ĐỘNG YẾU TỐ DẠNG VÙNG ................................................................................................... 79 3.1. Khái quát khu vực thử nghiệm ................................................................................... 79 3.2. Cấu trúc và yêu cầu dữ liệu ........................................................................................ 79 3.3. Xây dựng công cụ tổng quát hóa dạng vùng ............................................................. 82 3.3.1. Ngôn ngữ lập trình ............................................................................................ 82 3.3.2. Xây dựng công cụ.............................................................................................. 87 3.4. Kết quả thử nghiệm và đánh giá................................................................................. 90 3.4.1. Thử nghiệm 1: Lọc vùng theo ngưỡng diện tích ............................................. 90 3.4.2. Thử nghiệm 2: Giản lược đỉnh với ngưỡng cho trước ................................... 93 3.4.3. Thử nghiệm 3: Xương hóa vùng bằng thuật toán Delaunay.......................... 96 KẾT LUẬN ......................................................................................................................101 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...............................................................................................103 PHỤ LỤC 2
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Trọng tải của bản đồ địa hình....................................................................... 25 Bảng 1.2. Trọng tải giới hạn của bản đồ ...................................................................... 28 Bảng 2.1. Lựa chọn sông ngòi theo mật độ .................................................................. 38 Bảng 2.2. Phân loại địa hình theo độ cao ..................................................................... 40 Bảng 2.3. Quy định về khoảng cao đề giữa các đường bình độ cơ bản trên các bản đồ địa hình ........................................................................................................ 42 Bảng 2.4. Số lượng đường bình độ con giữa hai đường bình độ cái ........................... 45 Bảng 2.5. Nguyên tắc khái quát hợp nhất phân loại đất và thực vật ........................... 49 Bảng 2.6. Chỉ tiêu lựa chọn điểm dân cư ..................................................................... 51 Bảng 2.7. Qui định về độ rộng của đường phố ............................................................ 53 Bảng 2.8. Trọng tải đường giao thông trên bản đồ địa hình ........................................ 57 3
DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 2.1. Mạng lưới thủy văn phục vụ khái quát hình thái địa hình trên bản đồ tỷ lệ 1:100000 và 1:1000000 ........................................................................................ 44 Hình 2.2. Khe chủ yếu và khe thứ yếu. Khe số 1 và 3 - khe thứ yếu; khe số 2 và 4 - khe chủ yếu ......................................................................................................... 45 Hình 2.3. Khái quát hình dạng của khe. Nét 2 và 3 vẽ sai (làm rộng khe). nét 1 vẽ đúng ................................................................................................................. 45 Hình 2.4. Sơ đồ cấu trúc và thứ tự khái quát hoá hình thái địa hình ........................... 47 Hình 2.5. Kích thước nhỏ nhất của đồ hình mặt bằng ................................................. 50 Hình 2.6. Mối quan hệ nhà đen với đường giao thông ................................................ 54 Hình 2.7. Mô tả phương pháp Collapse (co rút) .......................................................... 62 Hình 2.8. Mô tả phương pháp Displacement(dịch chuyển) ......................................... 62 Hình 2.9. Mô tả phương pháp Elimination (loại trừ) ................................................... 63 Hình 2.10. Mô tả phương pháp Exaggeration (phóng lên) .......................................... 63 Hình 2.11. Mô tả phương pháp Simplification (đơn giản hóa) ................................... 63 Hình 2.12. Mô tả phương pháp Split (tách).................................................................. 63 Hình 2.13. Mô tả phương pháp Agglomeration (tập hợp) ........................................... 64 Hình 2.14. Mô tả phương pháp Aggregation (tích tụ) ................................................. 64 Hình 2.15. Mô tả phương pháp Amalgamation (hợp nhất) ......................................... 64 Hình 2.16. Mô tả phương pháp Dissolve (phân hủy) ................................................... 64 Hình 2.17. Mô tả phương pháp Merging (nhập) .......................................................... 65 Hình 2.18. Mô tả phương pháp đơn giản hóa cấu trúc (đơn giản hóa cấu trúc) ......... 65 Hình 2.19. Mô tả phương pháp Typification (vật tiêu biểu) ........................................ 65 Hình 2.20. Mô tả thuật toán Vertices Reduce .............................................................. 67 Hình 2.21. Mô tả thuật toán Douglas - Peucker ........................................................... 69 Hình 2.22. Mô tả quá trình thuật toán giản lược đỉnh .................................................. 70 Hình 2.23. Thuật toán dòng quét .................................................................................. 72 Hình 2.24. Ý tưởng thuật toán dòng quét ..................................................................... 73 Hình 2.25. Vòng tròn kiểm tra điều kiện Delaunay ..................................................... 75 4
Hình 2.26. Ứng dụng tam giác Delaunay ..................................................................... 75 Hình 2.27. Chuỗi sự kiện thực thi thuật toán Delaunay............................................... 76 Hình 2.28. Mô tả cạnh thật và cạnh ảo ......................................................................... 77 Hình 2.29. Minh họa tìm kiếm trên cây nhị phân ........................................................ 78 Hình 3.1. Mô hình chức năng phần mềm tổng quát hóa yếu tố dạng vùng ................ 90 Hình 3.2. Dữ liệu đầu vào lọc ngưỡng diện tích .......................................................... 91 Hình 3.3. Kết quả TQH lọc vùng theo ngưỡng diện tích ............................................. 92 Hình 3.4. Phương pháp xử lí quan hệ dữ liệu lọc ngưỡng diện tích ............................ 93 Hình 3.5. Dữ liệu đầu vào TQH giản lược đỉnh ........................................................... 94 Hình 3.6. Kết quả TQH giản lược đỉnh ........................................................................ 94 Hình 3.7. Thành phần TQH giản lược đỉnh.................................................................. 95 Hình 3.8. Tạo lưới tam giác Delaunay và xương hóa đối tượng ................................. 97 Hình 3.9. Xương hóa đối tượng độc lập ....................................................................... 97 Hình 3.10. Dữ liệu gốc sông suối 4 mảnh tỉ lệ 1: 25 000 khu vực tỉnh Sơn La .......... 98 Hình 3.11. Kết quả chạy tự động TQH dữ liệu sông suối từ 1: 25 000 về 1: 50 000 khu vực mảnh 5851-II tỉnh Sơn La (chưa biên tập) ..................................................... 99 Hình 3.12. Kết quả thử nghiệm chạy tự động TQH dữ liệu sông suối từ 1: 25 000 về 1: 50 000 khu vực mảnh 5851-II tỉnh Sơn La (đã biên tập).................................. 100 5
BẢNG KÝ HIỆU CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT KÍ HIỆU DIỄN GIẢI BĐ/ Bđ Bản đồ CSDL/csdl Cơ sở dữ liệu TQH Tổng quát hóa TQHDLBĐ Tổng quát hóa dữ liệu bản đồ S Diện tích Geodatabase Cơ sở dữ liệu địa lý Feature Dataset Tập (chủ đề) đối tượng địa lý Feature Class Lớp đối tượng địa lý 6
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Trên thế giới và ở Việt Nam hiện nay, các cơ quan đo đạc bản đồ quốc gia và các nhà cung cấp dữ liệu địa lý khác thường quản lý một hoặc nhiều cơ sở dữ liệu (CSDL) có nguồn gốc là các bản đồ địa hình, địa lý tỷ lệ khác nhau. Quản lý các cơ sở dữ liệu đa tỷ lệ như vậy có các ưu điểm như đáp ứng nhanh chóng các yêu cầu đối với dữ liệu bản đồ ở các tỷ lệ khác nhau, đặc biệt là để phục vụ việc thành lập và cung cấp bản đồ số hoặc giấy, tiết kiệm thời gian và kinh phí cho thành lập và bảo trì CSDL phủ trùm tỷ lệ lớn... Các CSDL đa tỷ lệ cũng có những nhược điểm như cồng kềnh, không đảm bảo tính đồng nhất, đồng thời, khó khăn về kỹ thuật và kinh tế khi hiệu chỉnh cập nhật. Trong tương lai, CSDL địa lý quốc gia cần phải có khả năng đáp ứng các yêu cầu, mục đích sử dụng khác nhau. Một trong các xu hướng ở các nước tiên tiến trong thời gian tới là xây dựng CSDL phủ trùm duy nhất. Do những lý do kinh tế và kỹ thuật, tỷ lệ (hay mức độ chi tiết) cũng như chất lượng dữ liệu của CSDL phủ trùm không nhất thiết và cũng không thể đồng nhất trên toàn bộ lãnh thổ, song CSDL phải là duy nhất, là dữ liệu cơ bản để thành lập tất cả các bản đồ tỷ lệ nhỏ hơn và các tập dữ liệu (datasets) có mức độ chi tiết thấp hơn. Từ CSDL phủ trùm chiết xuất dữ liệu và xây dựng nên bản đồ ở các dãy tỷ lệ khác nhau. Vì vậy, tổng quát hóa (TQH) yếu tố địa lý, đặc biệt là các giải pháp tổng quát hóa tự động trở thành bài toán cơ bản trong xây dựng bản đồ đa tỷ lệ. Để CSDL phủ trùm hoạt động hiệu quả cần phải có các giải pháp TQH tự động. Các mô hình ứng dụng và kết quả nghiên cứu trong lĩnh vực tổng quát hóa tự động đã được các cơ quan đo đạc bản đồ quốc gia một số nước phát triển áp dụng trong thực tế sản xuất. Để phục vụ TQH tự động, việc ứng dụng mô hình thuật toán là yêu cầu cơ bản. Các phần mềm thương mại được ứng dụng rộng rãi như ArcGIS, Lorik, Paronama đã sử dụng rất nhiều mô hình thuật toán cho cả yếu tố dạng điểm, đường, vùng. Tuy nhiên, với sự đa dạng về quy định và tính phức tạp của dữ liệu, các mô 7
hình thuật toán TQH đã và đang sử dụng vẫn chưa thể đáp ứng đầy đủ yêu cầu, đặc biệt là một số vấn đề như chưa giải quyết được mô hình thuật toán tối ưu đối với TQH dạng vùng hình tuyến về đỉnh và tim đối tượng, chưa giải quyết được mô hình quan hệ dữ liệu. Trong nước, các kết quả nghiên cứu cũng đã bổ sung rất nhiều mô hình và ứng dụng TQH, tuy nhiên, TQH tự động sông 2 nét về sông 1 nét (dạng vùng sang dạng tuyến) vẫn chưa được xây dựng mô hình TQH tự động. Những yêu cầu về TQH tự động càng cấp thiết trong bối cảnh Việt Nam chuẩn bị xây dựng cơ sở hạ tầng dữ liệu không gian quốc gia, mà trước hết phải xây dựng và ứng dụng tốt mô hình thuật toán trong TQH khi xây dựng bản đồ địa hình. Bên cạnh các yêu cầu về độ tin cậy, tính đồng nhất và tính cập nhật của dữ liệu, hạ tầng cơ sở dữ liệu không gian cần phải cung cấp các công cụ TQH có mức độ tự động cao, có thể đáp ứng nhanh chóng các yêu cầu đa dạng của người sử dụng về tỷ lệ, phạm vi, chuyên đề, mức độ chi tiết. Một số phần mềm thương mại lớn như: ArcGIS của hãng ESRI (Mỹ), Lorik của hãng Lorence (Pháp), Panorama của CHLB Nga... chưa thể giải quyết triệt để các bài toán TQH phù hợp với dữ liệu địa lý và đáp ứng các quy định kĩ thuật thành lập cơ sở dữ liệu bản đồ ở Việt Nam. Các nghiên cứu trong nước mới chủ yếu nghiên cứu lý thuyết về thuật toán TQH, một số ứng dụng phần mềm đã xây dựng mới chỉ giải quyết các bài toán cụ thể rời rạc dựa trên mã nguồn có sẵn, chưa có một phần mềm và hệ thống nào hoàn chỉnh mang tính mở để trên cơ sở đó phát triển, xây dựng một hệ thống phần mềm có thể giải quyết cơ bản các bài toán về TQH dữ liệu bản đồ. Qua nghiên cứu, tìm hiểu những nội dung trên thì chưa có nghiên cứu nào về tổng quát hóa yếu tố dạng vùng sang dạng tuyến và cũng chưa có công cụ phần mềm tự động nào về nội dung này. Từ các vấn đề đã đặt ra, tôi chọn đề tài “Nghiên cứu xây dựng công cụ tổng quát hóa tự động yếu tố dạng vùng từ bản đồ địa hình 1: 25 000 về 1: 50 000”. Trên cơ sở đó xây dựng công cụ TQH tự động cho tất cả các đối tượng dạng vùng sang dạng tuyến ở các tỉ lệ khác nhau. 8
2. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu xây dựng công cụ TQH tự động yếu tố dạng vùng từ bản đồ địa hình 1: 25.000 về 1: 50 000 trên cơ sở ứng dụng mô hình thuật toán. 3. Nhiệm vụ nghiên cứu Đề tài “Nghiên cứu xây dựng công cụ tổng quát hóa tự động yếu tố dạng vùng từ bản đồ địa hình 1: 25 000 về 1: 50 000” đặt ra những nhiệm vụ sau: - Tổng quan về TQH bản đồ, các dạng TQH dữ liệu địa lý (tập trung vào yếu tố dạng vùng). - Nghiên cứu các mô hình thuật toán cơ bản và phát triển một số công cụ TQH tự động yếu tố dạng vùng xây dựng bản đồ địa hình. - Thử nghiệm xây dựng công cụ TQH tự động yếu dạng vùng sang dạng tuyến bản đồ địa hình tỉ lệ 1: 50 000 từ dữ liệu bản đồ địa hình 1: 25 000 trên nền Dot Net, ngôn ngữ lập trình C#, bộ thư viện ArcEngine của ArcGIS, sử dụng kỹ thuật tìm xương (tim) đối tượng, xây dựng lưới tam giác Delaunay trong mô hình TIN (Triangle Irregular Nework - lưới tam giác bất quy tắc). - Đánh giá kết quả thử nghiệm. 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng dạng vùng hình tuyến, cụ thể là đối tượng sông suối trên bản đồ tỷ lệ 1: 25 000. Phạm vi nghiên cứu: Khu vực tỉnh Sơn La. Phạm vi nội dung nghiên cứu: + Thực hiện nghiên cứu TQH vùng hình tuyến và thử nghiệm xây dựng công cụ TQH tự động sông suối dạng vùng tỷ lệ 1: 25 000 về dạng tuyến tỷ lệ 1: 50 000 khu vực tỉnh Sơn La. (Đề tài sử dụng 4 mảnh bản đồ tỷ lệ 1:25 000 để thử nghiệm TQH về 01 mảnh tỷ lệ 1:50 000) + Luận văn nghiên cứu các mô hình thuật toán TQH và giới hạn xây dựng công cụ TQH tự động các yếu tố vùng sang dạng tuyến dựa trên quy định bản đồ tỷ lệ 1: 50 000 của Bộ Tài nguyên và môi trường. 9
5. Phương pháp nghiên cứu - Về lý thuyết + Phương pháp phân tích và tổng hợp tài liệu: Nghiên cứu các tài liệu, lý luận khác nhau về TQH nói chung và TQH yếu tố dạng vùng nói riêng ở trong và ngoài nước, từ đó phân tích chúng dưới nhiều góc độ khác nhau phù hợp với yêu cầu dữ liệu và quy định bản đồ ở Việt Nam. Tổng hợp các phân tích đưa ra một số thuật toán tối ưu và phù hợp làm cơ sở xây dựng chương trình tự động. Đề tài tập trung về vấn đề: Nâng cao hiệu quả và tối ưu hóa một số thuật toán bằng việc kết hợp hoặc bổ sung các tiêu chí đầu vào thuật toán (VD: Giản lược đỉnh, xương hóa đối tượng vùng thành dạng tuyến). + Phương pháp mô hình hóa: Từ những yêu cầu và quy định đối với TQH và cấu trúc dữ liệu các tỉ lệ, nghiên cứu đưa ra những mô hình, công thức chung nhất về TQH đối tượng dạng vùng. TQH các lớp đối tượng cụ thể sẽ lựa chọn từ hệ thống công thức trên. Đưa ra sơ đồ thuật toán hoặc giả mã mô tả thuật toán. - Về thực nghiệm + Phương pháp thực nghiệm khoa học: Nghiên cứu, tìm hiểu các đề tài khoa học và thử nghiệm của các tác giả về TQH tự động đối tượng dạng vùng, đưa ra những nhận định, đánh giá và hướng giải quyết của luận văn. + Phương pháp chuyên gia: Tham khảo ý kiến của các chuyên gia, giáo viên hướng dẫn để đưa ra các hướng giải quyết và nội dung nghiên cứu phù hợp với nội dung đề tài và phạm vi luận văn. 6. Cơ sở tài liệu thực hiện Luận văn - Các báo cáo kết quả nghiên cứu của đề tài cấp nhà nước, cấp đơn vị chuyên ngành. - Các giáo trình tổng quát hóa xây dựng cơ sở dữ liệu và thành lập bản đồ địa hình. - Tài liệu chuyên ngành của các chuyên gia, giáo viên hướng dẫn. - Dữ liệu nền địa lý do Cục bản đồ xây dựng tỷ lệ 1: 25 000 khu vực tỉnh Sơn La. 10
7. Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của Luận văn - Ý nghĩa khoa học Kết quả nghiên cứu về lý luận của Luận văn góp phần xây dựng cơ sở khoa học trong việc xây dựng các công cụ tổng quát hóa tự động cho các đối tượng địa lý. Trong phạm vi nghiên cứu của Luận văn đã giúp làm sáng tỏ phần xây dựng các công cụ tổng quát hóa tự động các yếu tố vùng sang dạng tuyến đáp ứng yêu cầu từ cơ sở dữ liệu phủ trùm chiết xuất dữ liệu và xây dựng nên bản đồ ở các dãy tỷ lệ khác nhau. - Ý nghĩa thực tiễn Kết quả thực nghiệm của Luận văn là tài liệu tham khảo cho việc xây dựng công cụ TQH tự động các yếu tố vùng sang dạng tuyến tỷ lệ 1: 25 000 về dạng tuyến tỷ lệ 1: 50 000. 8. Bố cục của luận văn Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, tài liệu tham khảo và phụ lục, nội dung của luận văn được trình bày trong 3 chương: Chương 1: Tổng quan về tổng quát hóa xây dựng bản đồ địa hình Chương 2: Ứng dụng thuật toán trong tổng quát hóa yếu tố địa lý xây dựng bản đồ địa hình Chương 3: Thử nghiệm công cụ tổng quát hóa tự động yếu tố dạng vùng. 11
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ TỔNG QUÁT HÓA XÂY DỰNG BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH 1.1. Tổng quan về tổng quát hóa bản đồ 1.1.1. Khái quát về tổng quát hóa bản đồ Việc xây dựng quy trình công nghệ xây dựng cơ sở dữ liệu sau đó tiến hành chiết xuất bản đồ các tỉ lệ khác nhau đã được thực hiện ở nhiều nơi trên thế giới. Ở Việt Nam, trong vài năm trở lại đây chúng ta mới bắt đầu hiện thực hóa phương pháp làm này. Các khái niệm từ đó mới được phân biệt rõ ràng giữa dữ liệu và bản đồ, giữa cơ sở dữ liệu và bản đồ trình bày. Trong Luận văn, tác giả nghiên cứu thuật toán tổng quát hóa về mặt dữ liệu của các đối tượng dạng vùng, làm cơ sở xây dựng các cơ sở dữ liệu tỉ lệ nhỏ hơn từ cơ sở dữ liệu lớn hơn. a) Khái niệm tổng quát hóa bản đồ Tổng quát hoá bản đồ là phương pháp đặc biệt để lựa chọn và khái quát các yếu tố nội dung bản đồ, làm sáng tỏ và biểu thị lên bản đồ các đặc điểm đặc trưng, những nét cơ bản, điển hình của đối tượng, hiện tượng và mối tương tác giữa chúng với nhau, làm nổi bật các qui luật tự nhiên và kinh tế xã hội. Bản đồ phải phản ánh được đặc trưng cơ bản của hình dáng, số lượng, chất lượng và mối quan hệ tương hỗ của các yếu tố nội dung - phản ánh được các yếu tố địa lí tự nhiên và kinh tế xã hội của khu vực thành lập bản đồ. Tổng quát hoá bản đồ giải quyết mâu thuẫn giữa tính vô hạn và phức tạp của các đối tượng nghiên cứu với tính có hạn và đơn giản của các phương pháp biểu thị bản đồ. Thuật ngữ tổng quát hoá - generalization - bắt nguồn từ tiếng la tinh generalis có nghĩa là cái chung, cái chủ yếu. Có nhiều khái niệm, định nghĩa khác nhau về tổng quát hóa bản đồ đã được các nhà bản đồ đưa ra trong các công trình nghiên cứu. Có thể kể đến: - Dvorak (1964): Tổng quát hóa bản đồ là quá trình giải quyết việc lựa chọn những đối tượng chính trong thế giới thực dựa trên cơ sở khoa học và phản ánh chúng trên lên bản đồ với những nét đặc trưng [sđd, 4,10]. 12
- Sukhốp (1970): Tổng quát hóa bản đồ là quá trình giải quyết việc lựa chọn những đối tượng chính trong thế giới thực dựa trên cơ sở khoa học và phản ánh chúng lên trên bản đồ với những nét đặc trưng [sđd, 4,10]. - Weibel anh Dutton (1999): Tổng quát hoá bản đồ có nhiệm vụ giảm bớt sự phức tạp trên một bản đồ trong quá trình thu nhỏ tỷ lệ bản đồ, làm nổi bật các yếu tố cần thiết trong khi loại trừ các yếu tố không quan trọng, duy trì mối quan hệ hợp lý và rõ ràng giữa các đối tượng bản đồ và bảo toàn tính thẩm mỹ cao [sđd, 4,11]. - Hiệp hội bản đồ thế giới (ICA, 1973) đưa ra khái niệm tổng quát hóa bản đồ là chọn lựa và đơn giải hóa sự thể hiện các chi tiết để phù hợp với tỷ lệ hoặc mục đích của bản đồ. - Musti và nnc (2000): Quá trình tổng quát hóa đi từ việc mô tả chi tiết một đối tượng địa lý, xem xét tới mỗi phần của đối tượng, tới việc mô tả đối tượng một cách trừu tượng hơn và chỉ giữ lại các đặc tính của đối tượng cần thiết cho người sử dụng bản đồ. - PGS.TS Nhữ Thị Xuân, Giáo trình Bản đồ địa hình (2006): Tổng quát hoá bản đồ là phương pháp đặc biệt để lựa chọn và khái quát các yếu tố nội dung bản đồ, làm sáng tỏ và biểu thị lên bản đồ các đặc điểm đặc trưng, những nét cơ bản, điển hình của đối tượng, hiện tượng và mối tương quan giữa chúng với nhau, làm nổi bật các qui luật tự nhiên và kinh tế xã hội. - TS. Đổng Thị Bích Phương và nnc (2009): Tổng quát hóa bản đồ là sự lựa chọn và khái quát các đối tượng được thể hiện trên bản đồ phù hợp với mục đích sử dụng, nội dung, tỷ lệ bản đồ và đặc điểm lãnh thổ được thể hiện trên bản đồ. Như vậy, TQH bản đồ nhằm mục đích lựa chọn giữ lại các yếu tố chủ yếu, quan trọng và cần thiết. Do trong thực tế có rất nhiều yếu tố tự nhiên và xã hội phức tạp, trong khi đó bản đồ là hình thức thu nhỏ không thể biểu thị hết chúng được. Việc lựa chọn giữ lại các yếu tố liên quan tới nội dung vì bản đồ có nhiều loại, mỗi loại có mục đích, yêu cầu riêng, nên cũng không cần thiết biểu thị tất cả các yếu tố mặt đất lên bản đồ. 13
Tổng quát hoá được thực hiện thông qua khái quát hoá các đặc trưng chất lượng, số lượng của các đối tượng, hiện tượng, biến đổi các khái niệm riêng thành khái niệm chung, lược bỏ các chi tiết thứ yếu để phản ánh các đặc điểm cơ bản. Tổng quát hoá bản đồ không chỉ đơn thuần là lược bỏ những thông tin không cần thiết mà còn là sự tổng hợp tạo ra các thông tin mới đặc trưng cho đối tượng. Mức độ tổng quát hoá càng cao thì càng làm nổi bật những đặc điểm quan trọng của đối tượng, chỉ rõ các qui luật phân bố, phát triển và mối quan hệ tương tác giữa các sự vật, hiện tượng. Chất lượng tổng quát hoá bản đồ phụ thuộc vào trình độ hiểu biết, kinh nghiệm của người thành lập về các đối tượng và hiện tượng thể hiện trên bản đồ. Tổng quát hóa đóng vai trò vô cùng quan trọng trong quá trình thành lập bản đồ, vì trên bề mặt trái đất có rất nhiều yếu tố tự nhiên và kinh tế xã hội mà bản đồ không thể biểu thị hết được nên phải chọn các yếu tố chủ yếu và khái quát các đặc trưng về hình dạng, số lượng, chất lượng các yếu tố nội dung cho phù hợp với mục đích nội dung và tỷ lệ bản đồ. b) Tổng quát hóa dữ liệu bản đồ Tổng quát hóa dữ liệu bản đồ (TQHDLBD) sử dụng các công cụ có tích hợp các thuật toán tổng quát hóa cho dữ liệu bản đồ để lựa chọn và khái quát các yếu tố nội dung dữ liệu bản đồ, làm sáng tỏ và biểu thị lên bản đồ các đặc điểm đặc trưng, những nét cơ bản, điển hình của đối tượng, hiện tượng và mối tương quan giữa chúng với nhau, làm nổi bật các quy luật tự nhiên và kinh tế xã hội. TQHDLBD nhằm mục đích lựa chọn giữ lại các yếu tố chủ yếu, quan trọng và cần thiết vì mặt đất có rất nhiều yếu tố tự nhiên và xã hội phức tạp trong khi đó bản đồ là hình thức thu nhận thì không thể biểu thị hết chúng được, lựa chọn giữ lại các yếu tố liên quan tới nội dung vì bản đồ có nhiều loại, mỗi loại mục đích, yêu cầu riêng, nên cũng không cần thiết biểu thị tất cả các yếu tố mặt đất lên bản đồ, khái quát để phản ánh các đặc trưng cơ bản điển hình và mối quan hệ phân bố tương đối của các yếu tố nội dung, do thực tế bản đồ có hạn, không thể biểu thị nguyên vẹn các hình dạng đặc trưng, số lượng và chất lượng của các yếu tố ngoài thực địa lên trên bản đồ. 14
TQHDLBD giải quyết được mâu thuẫn giữa tính vô hạn và phức tạp của các yếu tố trên mặt đất với tính có hạn và đơn giản với phương pháp biểu thị trên bản đồ. Phản ánh được đặc trưng cơ bản của hình dáng, số lượng, chất lượng và mối quan hệ tương đối của các yếu tố nội dung. Phản ánh được các yếu tố địa hình, địa lý tự nhiên và kinh tế xã hội của khu vực thành lập. Quy luật tự nhiên được phản ánh trên bản đồ không chỉ nhờ vào đặc trưng trừu tượng hóa mà còn biểu thị các đối tượng riêng biệt và hiện tượng bằng các phương tiện đồ thị ở dạng ký hiệu. Trong TQHDLBD, khái quát khái niệm về các đối tượng bản đồ bằng cách logic chuyển từ khái niệm riêng sang khái niệm chung, từ nhỏ sang lớn, từ chi tiết sang tổng thể, loại bỏ những dấu hiệu không cần thiết, phù hợp với mục đích sử dụng và tỷ lệ bản đồ. Muốn vậy, cần phải nghiên cứu mọi khía cạnh và mối tương quan giữa các đối tượng. Để đạt được điều này một cách toàn vẹn quả là không dễ. Song có thể hiểu rằng tổng thể các khía cạnh của đối tượng, hiện tượng và mối tương quan giữa chúng là sự thật thực tế. Nguyên tắc TQHDLBD xuất phát từ cơ sở nghiên cứu mối tương quan và các khía cạnh của các đối tượng và hiện tượng cần đưa lên bản đồ. Đó là các vấn đề về sự thống nhất, sự đầy đủ của nội dung bản đồ và trình tự tổng quát hóa. Sự thống nhất là sự biểu thị trên bản đồ các đối tượng và hiện tượng tương ứng với mối tương quan thực tế. Ví dụ, sự thống nhất về hình vẽ giữa các yếu tố mặt đất và mối tương quan giữa chúng khi thành lập bản đồ địa hình, như giữa các yếu tố hệ thủy văn với yếu tố hình thái địa hình. Sự đặc trưng thống nhất ở đây là đặc trưng mối tương quan giữa chúng với nhau. Một mặt, cấu trúc hình thái địa hình và độ nghiêng của mặt đất phối hợp với điều kiện khí hậu và các yếu tố khác hình thành lên lưu vực sông, mặt khác, các con sông tạo nên các thung lũng, làm thay đổi và tạo nên hình thái địa hình. Từ những đặc trưng mối tương quan giữa hình thái địa hình và sông ngòi xảy ra đặc điểm nhất trí hình vẽ giữa mạng lưới sông ngòi và đường bình độ. Cũng như đặc trưng phát triển sông ngòi và mối tương quan giữa chúng với thung lũng được phản ánh qua sự nhất trí tương quan giữa hình vẽ lòng sông và đường bình độ, phụ thuộc và đặc điểm của mặt đất, trên bản đồ thể hiện bằng các đường bình độ gẫy góc, khum tròn hay thoai thoải kéo dài… 15
Ngoài ra, sự nhất trí còn được thể hiện giữa các khu vực biểu thị trên bản đồ, người làm bản đồ phải phản ánh được mối tương quan giữa các dạng địa hình và cảnh quan khác nhau của mặt đất thông qua đặc trưng hình vẽ bản đồ. Khi thành lập bản đồ gồm nhiều tờ, cần chú ý sự nhất trí giữa các tờ với nhau để khi ghi chép lại chúng có thể thống nhất về nội dung, hình vẽ, không bị biến dạng về mối tương quan giữa các phần tử của bản đồ. Sự nhất trí thể hiện cả ở trên những bản đồ cùng loại nhưng khác nhau về tỷ lệ, các đối tượng được lựa chọn đưa bản đồ tỷ lệ lớn cũng sẽ là những đối tượng được biểu thị trên bản đồ tỷ lệ nhỏ, kích thước và hình dạng của ký hiệu biểu thị chúng về cơ bản cũng phải tương ứng. Các hiện tượng càng liên quan tương hỗ với nhau, thì khi tổng quát hóa càng phải dựa trên cơ sở nghiên cứu khoa học các khía cạnh của hiện tượng. Khi TQHDLBD, nếu bỏ đi và khái quát sẽ làm nghèo nội dung bản đồ, còn nếu giữ lại nhiều quá sẽ làm rối bản đồ, các yếu tố phụ sẽ làm nhiều các yếu tố quan trọng làm người đọc bản đồ khó phát hiện ra quy luật phát triển của hiện tượng. Tính đầy đủ của nội dung bản đồ cũng là một trong những nguyên tắc quan trọng nhất của tổng quát hóa bản đồ. Để đạt được việc này một cách toàn vẹn rất khó, bởi tính đầy đủ của nội dung bản đồ phụ thuộc vào mục đích sử dụng bản đồ, đề cương thành lập bản đồ, điều kiện kỹ thuật thực hiện…, nhưng mỗi lần thành lập bản đồ đều phải cố gắng đạt được mức cao nhất. Tính đầy đủ của nội dung bản đồ phải vừa chi tiết nhưng lại vừa trực quan, dễ đọc. Bản đồ quá chi tiết, đầy đủ sẽ làm mất tính dễ đọc và ngược lại. Do vậy, khi thành lập bản đồ, cần đưa các yếu tố nội dung lên bản đồ theo trình tự mức độ quan trọng và độ lớn (tùy thuộc vào mục đích của bản đồ) cho đến khi đảm bảo bản đồ trực quan và dễ đọc thì dừng lại. Độ chi tiết cần thiết của nội dung bản đồ chỉ có thể đạt được trong kết quả phân tích, làm sáng tỏ các đối tượng - yếu tố nội dung bản đồ và mối tương quan của chúng, lựa chọn các đối tượng - yếu tố nội dung bản đồ và khái quát hình dạng của chúng. Trên thế giới, đã có nhiều công trình nghiên cứu và ứng dụng thực tế tổng quát hóa dữ liệu bản đồ tự động, hỗ trợ tăng năng suất lao động và chất lượng bản đồ. Ở Thụy Sỹ, sử dụng công nghệ Axpand (Axes) để thành lập Các CSDL tỉ lệ 1:25000 và nhỏ hơn từ cơ sở dữ liệu nền địa lý tỉ lệ 1:25000 với mức độ tổng quát 16
hóa tự động lên đến 80%. Ở Đức, công nghệ này cho phép giảm thời gian biên tập bằng tay từ 50000 giờ làm việc xuống còn 50 giờ đối với thành lập bản đồ 1:25000 từ dữ liệu AAA data của Đức… Ở Việt Nam, các dự án của Cục bản đồ - Bộ tổng tham mưu, Bộ giao thông vận tải sử dụng phương pháp tổng quát hóa đã cho chất lượng tốt, tuy nhiên, chưa có một đánh giá cụ thể rõ ràng về hiệu suất sử dụng phương pháp này so với trước đây làm hoàn toàn thủ công. Một số công cụ TQH tự động của phần mềm sử dụng chưa đáp ứng được nhu cầu của người sử dụng, đặc biệt, với yêu cầu sản xuất và quan điểm xây dựng dữ liệu ở Việt Nam, nhiều công cụ bộc lộ tính hỗ trợ kém, không đúng hướng. Tổng quát hóa không gian các đối tượng dạng điểm, đường, vùng là nội dung cơ bản, trong đó TQH dạng vùng với tính chất và yêu cầu phức tạp gây khó khăn lớn cho việc xây dựng quy trình tự động. Ở Việt Nam hiện nay, chưa có một nghiên cứu chi tiết và đầy đủ về TQH loại này. c) Tổng quát hóa bản đồ tự động Hiện nay, công nghệ số đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều công đoạn thành lập và hiệu chỉnh bản đồ, song nhiều hãng thành lập bản đồ quốc gia vẫn đang thực hiện tổng quát hóa bằng các phương pháp thủ công, hoặc với sự hỗ trợ của các công cụ trong một vài công đoạn. Đó là vì kiến thức tổng hợp và kinh nghiệm của các nhà bản đồ chưa thể định nghĩa cho máy tính. Trong tương lai gần, quá trình tổng quát hoá tự động sẽ được sử dụng trong phạm vi rộng hơn, nhờ khả năng xử lý nhanh của máy tính, nhờ tính năng của phần mềm tốt hơn và cải thiện khả năng hoạt động của hệ thống. Xuất phát từ định nghĩa của ICA về tổng quát hóa bản đồ, McMaster và Shea (1992) đưa ra một định nghĩa tổng quát hơn về tổng quát hóa bản đồ trong ngữ cảnh công nghệ số: Tổng quát hóa tự động có thể định nghĩa như quá trình dẫn xuất dữ liệu (deriving) từ các nguồn dữ liệu, các tệp dữ liệu bản đồ (cartographic data sets) được biểu tượng hóa hoặc số hóa, thông qua các biến đổi không gian và thuộc tính. 17