Bài giảng: Mô hình hóa bề mặt

(1)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP. HỒ CHÍ MINH KHOA MÔI TRƯỜNG & TÀI NGUYÊN

BỘ MÔN GIS & TÀI NGUYÊN

ThS. Nguyễn Duy Liêm Điện thoại: 0983.613.551

Email: nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn

Bài giảng: Mô hình hóa bề mặt

(Surface modeling)

(2)

Nhập môn mô hình hóa bề mặt (Surface modeling)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP. HỒ CHÍ MINH KHOA MÔI TRƯỜNG & TÀI NGUYÊN

BỘ MÔN GIS & TÀI NGUYÊN

(3)

Nội dung



Nhu cầu nghiên cứu bề mặt địa hình (Terrain research needs)



Mô hình thông tin - dữ liệu (Information/Data Model)



Một số khái niệm (Some concepts of Terrain Modeling)



Mô hình địa hình (Terrain Model)



Mô hình hóa bề mặt địa hình (Terrain Modeling)



Mô hình số bề mặt (Digital Surface Model)



Mô hình số địa hình (Digital Terrain Model)



Tiến trình mô hình hóa bề mặt địa hình (The process of Terrain Modeling)



Công nghệ liên quan đến mô hình hóa bề mặt địa hình

(Relationships between Terrain Modeling and other disciplines)



Ứng dụng của mô hình địa hình (Applications of Terrain Models)

3

(4)

Tài liệu tham khảo



Terrain Analysis- Principles and Applications (2000)



1. Digital Terrain Analysis



Digital Terrain Modeling- Principles and Methodology (2005)



1. Introduction



3. Techniques for Acquisition of DTM Source Data



Digital Terrain Modeling- Acquisition, Manipulation, And Applications (2005)



1. Introduction



Surface modeling- High accuracy and high speed methods (2011)



1. Introduction

4

(5)

Nhu cầu nghiên cứu bề mặt địa hình

5

Địa hình= Phần mặt đất + Các yếu tố trên bề mặt của nó (dángđất, thủy hệ, thực vật,

giao thông, các địa vật,…) Hoạt động

của con người

TráiĐất

nhìn từ không gian

Mô hình Trái Đất Hệ tọa độ phẳng

Hệ tọa độ địa lý

TráiĐất khi “vắt hết nước”

Ngập lụt Nghiên cứu

Trượt lở đất

(6)

Mô hình thông tin - dữ liệu

6

Thế giới thực

Mô hình nhận thức

Mô hình dữ liệu

GIS

n lớp

thông tin

(7)

Yêu cầu cần đạt



Tại sao cần nghiên cứu bề mặt địa hình?



Ý nghĩa của việc sử dụng cách tiếp cận mô hình trong nghiên cứu bề mặt địa hình?

7

(8)

Một số khái niệm



Mô hình địa hình (Terrain Model):

8

Mô hình địa hình (Terrain Model)

Mô hình (Model)

• Một đối tượng/ khái niệm được sử dụng để thể hiện cho một sự vật, hiện tượng.

• Sự thu nhỏ của hiện thực ở một hình thức mà con người có thể hiểu được.

Địa hình (Terrain)

• Phần mặt đất và các yếu tố trên bề mặt của nó

(dáng đất, thủy hệ, thực vật, giao thông, các địa

vật,…).

(9)

• Mô hình máy tính mô tả sự vật, hiện tượng một cách chính xác.

• Mô hình mô tả sự vật, hiện tượng khác nhau về bản chất vật lý dưới dạng phương trình

toán, điều kiện như nhau.

• Mô hình được tạo ra trong tâm trí con người

• Dựa trên kiến thức hoặc kinh nghiệm.

Mô hình khái niệm

(Conceptual model)

• Một bản sao vật lý nhỏ hơn/lớn hơn của sự vật, hiện tượng.

• Thường là mô hình

tương tự

(Analog model)

Mô hình vật lý

(Physical model)

• Mô hình được xây dựng dựa trên toán học

• Các khái niệm toán học như hằng số, biến số, hàm số, …

Mô hình toán học

(Mathematical model)



Phân loại mô hình địa hình (Terrain Model):

9

Mô hình tương tự

(Analog model)

Mô hình số

(Digital model)

(10)

Quan niệm của người Ai Cập cổ đại về Trái Đất

10

Trái đất có hình vuông (có 4 góc) với những dãy núi chắn tại

chân trời chống đỡ vòm trời.

(11)

Làm thế nào xây dựng mô hình địa hình dạng rắn?

(How Solid Terrain Models are Made?)

11

(12)

Mô hình địa hình vật lý lớn nhất thế giới



22/6/2006, công bố mô hình địa hình 3D của bang British Columbia, Canada



Tạo bởi Solid Terrain Modeling, (ww.stm- usa.com)- nhà sản xuất mô hình địa hình dạng rắn 3D chính xác nhất thế giới



Kích thước 12,19m x 22,56m



Sử dụng >260 triệu điểm độ cao



Tiêu hao >100 tỷ giọt mực



Tỷ lệ 1:99.000

12

(13)

Mô hình toán học biểu diễn Trái Đất

13

TráiĐất (The Earth)

Chọn mô hình phù hợp (Fitting a model)

Ellipsoid

Bán kínhtrục nhỏ (Polar Radius) = 6.356.752,314245m

Bán kínhtrục lớn (Equatorial Radius)

= 6.378.137m Độ dẹt (Flattening) =

f = (a-b)/a = 1/298,257223563 b

a

Xíchđạo (Equator) Cực (Pole)

R

Xíchđạo (Equator) Cực (Pole)

Hệ tọa độ (The Datum)

---Mặt dị thường độ cao (Geoid Mean Sea Level) ---Mặt ellipsoid WGS84 (Global Datum WGS84)

X Trọng tâm Trái Đất

Spheroid

Bán kính (Radius) = 6.378.137m

Geoid

(Earth’s surface)

Mặt đất

Mặt biển

(Sea surface)

Ellipsoid (x, y, h) Geoid (H)

H N

h

Dựa trên các bề mặt hấp dẫn đẳng thế giả thuyết(hypothetical equipotential gravitational surface)

Tất cả các điểm trên geoid có cùngtiềm năng hấp dẫn

(gravitational potential)

Đất liền

(Land)

(14)



Mô hình hóa bề mặt địa hình (Terrain Modeling)



Biểu diễn bề mặt địa hình dưới dạng raster, trong đó mỗi pixel thể hiện một giá trị độ cao của bề mặt địa hình tại vị trí đó.

15



Quá trình mô phỏng bề mặt địa hình thông qua:

 một tập hợp các điểm phân tán,

 một tập hợp dữ liệu dạng đường,

 một tập hợp dữ liệu dạng vùng.

(15)

 Mô hình số bề mặt

(Digital Surface Model)



Thể hiện độ cao số của bề mặt địa hình và các đối tượng trên nó (nhân tạo, thực vật).

 Mô hình số địa hình

(Digital Terrain Model)



Thể hiện độ cao số của bề mặt địa hình (đất trống).

16

(16)

DSM vs DTM

17

(17)



Mô hình 0D, 1D, 2D, 2.5D, 3D, 4D

18

0D

1D

2D 2.5D 3D

Điểm (Point)

Đường (Line)

Vùng (Polygon)

Vùng + Độ cao (Polygon + Z value)

Khối (Cube)

4D

Thời gian

(Time)

(18)

Siêu bão Hải Yến (Typhoon HAIYAN-13)



Minh họa sóng bão (storm surge)



Trung Quốc (China), Việt Nam (Viet Nam), Philippines, Palau



04/11/2013 00:00 UTC - 11/11/2013 00:00 UTC

19

(19)



Định nghĩa mô hình hóa bề mặt địa hình?



Nhận diện, phân biệt các mô hình?



Khái niệm – Vật lý – Toán học



Tương tự – Số



DSM – DTM



1D



2D



2,5D



3D



4D

20

(20)

Bài tập 1



Đâu là một ví dụ của mô hình địa hình?

1.

Phương trình ellipsoid biểu diễn độ cao đáy biển

2.

Mô hình plastic thể hiện cấu trúc bên trong của Trái Đất

3.

Ảnh vệ tinh VNREDSat-1 chụp Hà Nội ngày 9/5/2013

4.

Hệ nhật tâm của Copernicus

21

(21)

Bài tập 2



Cho biết độ cao đo được tại vị trí đỉnh kim tự tháp trên DSM, DTM lần lượt là 100 m, 40 m. Khi đó, tính chiều cao của tháp (tính từ chân tháp đến đỉnh tháp)?

22

(22)

Bài tập 3



Theo dõi video sau:

https://www.youtube.com/watch?v=dXnFnb3-3jU

23

(23)

Bài tập 3



Cho biết ý nghĩa của 4 mô hình? Đâu là DSM, DTM?

24

1 2

3 4

Original Shaded Surface Model Land Levelled Shaded Terrain Model

Shaded Terrain Model

(24)

Tiến trình mô hình hóa bề mặt địa hình

25

Ứng dụng (Applications)

Phân tích (Interpretation)

Trực quan hóa (Visualization)

Xây dựng (Manipulation) Thu thập dữ liệu

(Data capture)

Địa hình thực tế (Reality) Mô hình địa hình

(Terrain model)

Khảo sát, đo đạc, thu thập dữ liệu địa hình

Xử lý, thiết lập mối quan hệ giữa dữ liệu đầu vào và mô hình địa hình Trích xuất các thông tin từ

mô hình địa hình

Hiển thị mô hình địa hình và các thông tin trích xuất Phát triển các ứng dụng từ

mô hình địa hình

(25)

Yêu cầu cần đạt



Mô hình hóa bề mặt địa hình được thực hiện qua những bước nào?



Nội dung công việc, ý nghĩa của từng bước thực hiện?

26

(26)

Công nghệ liên quan

Mô hình hóa bề mặt số địa hình (Digital terrain modeling)

Thu thập dữ liệu

(Data acquisition)

Tính toán, mô phỏng

(Computation and modeling)

Quản lý dữ liệu

(Data manipulation and management)

Ứng dụng

(Applications)

27

(27)



Thu thập dữ liệu



Trắc địa ảnh (Photogrammetry)

 Khoa học thực hiện đo đạc từ hình ảnh,

 Kết quả xử lý là bản đồ, mô hình 3D của đối tượng trong thế giới thực.

28

(28)



Trắc địa (Surveying)

 Khoa học đo đạc, xử lý số liệu đo đạc địa hình và địa vật trên bề mặt Trái Đất.



GPS

 Hệ thống định vị dựa trên vị trí của các vệ tinh nhân tạo do Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ xây dựng, quản lý.

29

(29)



Thu thập dữ liệu



Viễn thám (Remote sensing)

 Khoa học nghiên cứu việc đo đạc, thu thập thông tin về đối tượng, sự vật bằng cách sử dụng thiết bị đo gián tiếp (ví dụ, bức xạ điện từ)

tương tác với đối tượng, sự vật đó.

30

(30)



Bản đồ học (Cartography)

 Khoa học nghiên cứu và lập bản đồ chi tiết bề mặt Trái Đất.

31

(31)



Tính toán, mô phỏng



Trắc địa ảnh (Photogrammetry)



Trắc địa (Surveying)



Bản đồ học (Cartography)



Xử lý ảnh viễn thám (Remote sensing)

32

(32)

Công nghệ liên quan



Quản lý dữ liệu

33

Quản trị cơ sở dữ liệu

(Spatial database management)

Mã hóa, nén dữ liệu

(Data coding, compression)

Cấu trúc hóa dữ liệu

(Data structuring)

Đồ họa máy tính

(Computer graphics)

(33)



Ứng dụng



Khoa học không gian

34

(34)



Lý giải được tính liên ngành của mô hình hóa bề mặt số địa hình



Dữ liệu đầu vào,



Quy trình xử lý,



Ứng dụng.

35

(35)

Ứng dụng của mô hình địa hình



Cho phép mô tả, phân tích và giải thích đặc điểm phân bố của các đối tượng gắn liền với địa hình như thổ nhưỡng, thảm thực vật, động vật hoang dã, v.v…



Tích hợp với GIS, công nghệ viễn thám, cho phép:



Phân tích địa hình trên một khu vực rộng lớn trong khoảng thời gian nhanh chóng với độ chính xác cao,



Kết quả phân tích không chỉ là thể hiện dưới dạng số mà còn phân bố theo không gian,



Có thể tùy biến mức độ chi tiết theo từng mục tiêu cụ thể.

36

(36)

Cuối 1950s

Kĩ thuật xây dựng dân dụng Kĩ thuật

quân sự Khai thác mỏ Địa chất

Địa mạo

Quy hoạch đất đai Thông tin liên lạc

Bản đồ Viễn thám

Ứng dụng của mô hình địa hình

37

Quản lý thảm họa

Ứng dụng “tĩnh”

Lấy thông tin sẵn có từ mô hình địa hình (độ cao, độ

dốc, hướng dốc,…)

Ứng dụng “động”

Cho mô hình tương tác với các hiện tượng, đối tượng khác (mưa, gió, ánh sang,…),

lấy thông tin từ kết quả tương tác

(37)

Kĩ thuật xây dựng dân dụng (Civil Engineering)

38

(38)

Kĩ thuật xây dựng dân dụng (Civil Engineering)



Phân tích chiếu sáng/ đổ bóng (illumination/ shadows)

39

(39)



Chiến trường ảo (virtual battlefield)

Kĩ thuật quân sự (Military Engineering)

40

(40)

Quản lý thảm họa (Disaster Management)



Dự báo vùng ngập lụt vào năm 2050 của ICEM thực hiện cho UBND TP HCM (tài trợ bởi ADB) trong kịnh bản có hệ thống đê bao bảo vệ.

41

(41)



Khu vực Nakajima ở Hiroshima trước và sau vụ ném bom nguyên tử “Little Boy” vào ngày 6/8/1945.

42

(42)



Một góc Bucha, thành phố ở Kyiv Oblast của Ukraine, trước và sau cuộc chiến với Nga (24/2/2022 – nay)

43

(43)



Sự hình thành vùng áp cao (high-pressure area)

Phân tích khí hậu (Climate Analysis)

44

(44)

Bài tập về nhà



Nêu một ví dụ ứng dụng mô hình hóa bề mặt địa hình?



Cho bài báo nghiên cứu ứng dụng mô hình bề mặt “Xây dựng bản đồ 3D khu vực thành phố Hồ Chí Minh từ ảnh UAV” (https://dovenhanh.com/xay-dung-ban-do-3d-bang- uav-pho-ho-chi-minh/). Hãy trình bày cách thức xây dựng DSM, DTM và vai trò của chúng trong nghiên cứu này?

45