Chương 1. TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH ĐỘ CAO SỐ 1. Dữ liệu độ cao số Để nghiên cứu trái đất và biểu diễn nó trên mặt phẳng, con người phải tiến hành đo đạc mặt đất. Công tác trắc địa này thực chất là xác định vị trí các điểm đặc trưng của bề mặt đất trong hệ quy chiếu tọa độ nào đó hay có thể hiểu đó là định vị điểm.
Vị trí các điểm trên mặt đất được xác định bởi thành phần tọa độ mặt bằng và độ cao. Độ cao là thành phần quan trọng để xác định vị trí không gian của các điểm trên mặt đất, để có độ cao các điểm ta phải xác định các mặt chuẩn quy chiếu độ cao [6]. Độ cao được biểu diễn dưới dạng số được gọi là dữ liệu độ cao số. Mặt thủy chuẩn Mặt nước biển trung bình ở trạng thái yên tĩnh, tưởng tượng kéo dài xuyên qua các lục địa, hải đảo tạo thành bề mặt khép kín được gọi là mặt thủy chuẩn trái đất.
Mỗi quốc gia trên cơ sở số liệu quan trắc mực nước biển nhiều năm từ các trạm nghiệm triều đã xây dựng cho mình một mặt chuẩn độ cao riêng gọi là mặt thủy chuẩn gốc [1]. Sơ đồ mặt thủy chuẩn Trong trắc địa sử dụng mặt thủy chuẩn làm mặt chuẩn độ cao. Các mặt thủy chuẩn song song với mặt thủy chuẩn gốc được gọi là mặt thủy chuẩn quy ước, có vô số mặt thủy chuẩn quy ước. Hệ thống độ cao Độ cao tuyệt đối của một điểm trên mặt đất là khoảng cách theo phương đường dây dọi từ điểm đó đến mặt thủy chuẩn gốc.1, độ cao tuyệt đối của điểm A và B tương ứng là đoạn HA và HB có trị số dương, còn hiệu độ cao giữa chúng gọi là độ chênh cao hAB [1].
Ở Việt Nam hệ độ cao tuyệt đối (độ cao thường) lấy mặt thủy chuẩn gốc là mặt nước biển trung bình qua nhiều năm quan trắc tại trạm nghiệm triều Hòn Dấu (Đồ Sơn, Hải Phòng). Độ cao các điểm lưới khống chế nhà nước, độ cao TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 8 trong các loại bản đồ địa hình, địa chính và các công trình trọng điểm nhà nước đều phải gắn với hệ độ cao tuyệt đối này. Độ cao tương đối của một điểm (độ cao quy ước hay độ cao giả định) là khoảng cách theo phương đường dây dọi từ điểm đó tới mặt thủy chuẩn quy ước [1].1, nếu chọn mặt thủy chuẩn đi qua điểm B là mặt thủy chuẩn quy ước thì độ cao quy ước của điểm A là đoạn h AB. Các công trình quy mô nhỏ, xây dựng ở nơi hẻo lánh xa hệ thống độ cao nhà nước thì có thể dùng độ cao quy ước.
Trong xây dựng công trình công nghiệp và dân dụng người ta thường chọn mặt thủy chuẩn quy ước là mặt phẳng nền nhà tầng một. Hệ toạ độ địa lý Hệ tọa độ địa lý nhận trái đất là hình cầu với gốc tọa độ là tâm trái đất, mặt phẳng kinh tuyến gốc qua đài thiên văn Greenwich ở nước Anh và mặt phẳng vĩ tuyến gốc là mặt phẳng xích đạo (hình 1. Một điểm trên mặt đất trong hệ tọa độ địa lý được xác định bởi hai thành phần tọa độ là vĩ độ ϕ và kinh độ λ. Hệ tọa độ địa lý Vĩ độ của điểm M là góc hợp bởi phương đường dây dọi đi qua điểm đó với mặt phẳng xích đạo.
Vĩ độ nhận giá trị 00 ở xích đạo và 900 ở hai cực. Các điểm trên mặt đất có vĩ độ bắc hay nam tùy thuộc chúng nằm ở bắc hay nam bán cầu. Kinh độ của một điểm là góc nhị diện hợp bởi mặt phẳng kinh tuyến gốc và mặt phẳng kinh tuyến đi qua điểm đó. Kinh độ nhận giá trị từ 00 đến 1800 và tùy thuộc vào điểm đang xét nằm ở đông hay tây bán cầu mà nó có kinh độ tương ứng là kinh độ đông hay kinh độ tây.
TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 9 Hệ tọa độ địa lý dùng để xác định vị trí các điểm trên mặt đất, nó có ưu điểm là thống nhất cho toàn bộ quả đất nhưng nhược điểm là tính toán phức tạp. Một số ngành sử dụng hệ tọa độ này như: thiên văn, hàng không, hàng hải, khí tượng thủy văn… Trong trắc địa cao cấp, mặt cầu trái đất được thay bằng mặt Elipxoid tròn xoay tạo bởi Elip có bán trục lớn a, bán trục nhỏ b và độ dẹt α quay quanh trục quay của trái đất. Vị trí các điểm trên bề mặt trái đất trong hệ tọa độ này cũng được xác định bởi vĩ độ trắc địa B, kinh độ trắc địa L và độ cao trắc địa H. Mô hình độ cao số là gì? Khái niệm về mô hình độ cao số mới được biết đến tương đối gần đây.
Ban đầu mô hình này được gọi là mô hình địa hình số (Digital Terrain Model - viết tắt là DTM). Mô hình DTM đã được hai kỹ sư người Mỹ của Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) là Miller và Laflamme đưa ra vào cuối những năm 1950. Định nghĩa họ đưa ra khi đó là: “DTM chỉ đơn giản là một biểu diễn thống kê bề mặt liên tục của mặt đất bởi một số lượng lớn các điểm được lựa chọn với X, Y, Z là các toạ độ đại diện cho một trường toạ độ nào đó”. Kể từ đó, một số thuật ngữ khác tương tự đã được đưa ra, chẳng hạn như mô hình độ cao số (DEM), mô hình bề mặt số (DSM)… Các thuật ngữ này thường được coi là đồng nghĩa, tuy nhiên trong thực tế việc ứng dụng các mô hình có một chút khác biệt: DEM (Digital Elevation Model): Mô hình độ cao số nhấn mạnh các phép đo chiều cao trên một datum và độ cao tuyệt đối hay độ cao của các điểm trong mô hình.
DEM là một thuật ngữ được sử dụng rộng rãi tại Hoa Kỳ và thường đề cập đến việc tạo ra một mảng liên tục của độ cao, thông thường là hình vuông hoặc một mẫu hình lục giác trên địa hình. DSM (Digital Surface Model): Mô hình bề mặt số (DSM) là một mô hình số độ cao miêu tả bề mặt trái đất và bao gồm cả các đối tượng vật thể trên đó như nhà cửa, cây, đường giao thông. DTM (Digital Terrain Model): Một khái niệm phức tạp hơn không chỉ liên quan đến chiều cao và độ cao mà còn thể hiện thông tin địa lý khác như các con sông hay các dãy núi… Hơn nữa, DTM cũng có thể bao gồm các dữ liệu thu được về địa hình như độ dốc, hình dáng và tầm nhìn. Trong nghĩa hẹp, DTM đại diện cho một mô hình nổi.
Theo nghĩa rộng, một DTM được hầu hết mọi người biết đến bao gồm cả mặt bằng và dữ liệu địa hình nổi. Hiểu một cách đơn giản thì: Mô hình địa hình số TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. Mô hình dữ liệu trong DTM Trong quá trình xử lý dữ liệu địa hình, tập hợp các thành phần dữ liệu liên quan được thu thập. Để xây dựng một DTM toàn diện và có thể sử dụng thì việc xây dựng các mối quan hệ topo giữa các thành phần dữ liệu cũng như một mô hình nội suy biểu diễn bề mặt là rất cần thiết.
Một bề mặt liên tục, chẳng hạn như Trái đất, có một số lượng vô hạn điểm có thể được đo. Rõ ràng, chúng ta không thể ghi lại mọi điểm, do vậy một phương pháp lấy mẫu phải được sử dụng để tách ra các điểm đặc trưng. Những điểm đặc trưng sau đó có thể được sử dụng để xây dựng một mô hình bề mặt gần giống với bề mặt thực tế. Một mô hình bề mặt phải đảm bảo: 1.
Đại diện chính xác cho các bề mặt. Thích hợp cho việc kết nối dữ liệu hiệu quả. Giảm thiểu yêu cầu lưu trữ dữ liệu. Tối đa hóa các xử lý dữ liệu hiệu quả.
Phù hợp để phân tích bề mặt. Ba phương pháp thường được sử dụng để biểu diễn cho các bề mặt ở dạng số đó là: các đường đồng mức, lưới (ma trận độ cao) hoặc mạng tam giác không đều (TIN) [13]. Đường đồng mức Đường đồng mức hay còn gọi đường bình độ là đường thể hiện trên mô hình quỹ tích các điểm trên mặt đất tự nhiên có cùng một độ cao so với mặt thủy chuẩn. Đường đồng mức là một loại đường đẳng trị.
Mọi chênh lệch độ cao giữa hai đường đồng mức liền kề là một hằng số [15]. Tùy theo tỷ lệ của mô hình bề mặt so với địa hình thực tế, mà chênh lệch độ cao giữa các đường đồng mức có thể là 1m, 5m, 10m. Khoảng cách thưa hay mau của các đường đồng mức nói lên độ dốc hay thoải của vùng địa hình mà mô hình thể hiện, càng mau càng dốc và ngược lại. Độ cao của một điểm nằm ở khoảng giữa hai đường đồng mức được xác định gần đúng bằng cách dựng từ điểm này một đường vuông góc nhất với cả hai đường đồng mức.
Khoảng cách hai giao điểm của đường này với hai đường đồng mức nói trên, được xem là khoảng cách giữa hai đường đồng mức tại vị trí điểm đang xét. Dùng tam giác đồng dạng, để xác định độ chênh cao của điểm đang xét với đường đồng mức thấp trong hai đường đồng mức, qua khoảng cách của điểm đó tới đường đồng mức thấp và khoảng cách giữa hai đường đồng mức. Qua đó xác định được cao độ tuyệt đối của điểm [15]. TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.
Ví dụ về đường đồng mức Trong những thời điểm nhất định, đường đồng mức được đánh giá là đại diện quen thuộc nhất của bề mặt địa hình. Bản đồ đường đồng mức được sử dụng cho hầu hết các nơi trên thế giới. Độ chính xác của đường đồng mức phụ thuộc vào việc các đường này đã được tạo ra từ dữ liệu chính hay có nguồn gốc từ dữ liệu được tách ra. Nếu các đường đồng mức được tạo ra từ tập dữ liệu điểm, khi đó vị trí của những đường đồng mức được nội suy giữa các giá trị đã biết.
Nếu đường đồng mức bắt được từ các bức ảnh trên không như dữ liệu chính sử dụng một máy phân tích lập thể, đường đồng mức là chính xác cao. Khi trình bày bản đồ cứng, mỗi đường đồng mức được vẽ như là một đường liên tục kế tiếp trên bề mặt. Mỗi đường chứa một số vô hạn điểm mẫu tiềm năng. Khi số hóa một bản đồ, hệ thống sẽ tự động hóa các đường đồng mức của nó từ bản cứng sang định dạng số.
Các đường phải được lấy mẫu lại bởi vì việc lưu trữ tất cả các điểm dọc theo một đường thẳng là không thực tế.