Bề mặt trái đất là một đối tượng liên tục. Có nhiều phương pháp để mô tả bề mặt này dưới dạng số sử dụng lưu lượng bộ nhớ nhất định. Bản đồ đường đẳng trị (hiển thị những đường cong ví dụ những đường nối tất cả các điểm có cùng một giá trị độ cao) kế tiếp nhau hoàn toàn biểu thị tốt một bề mặt liên tục. Các đường đồng mức này có thể được lưu lại dưới dạng những vùng trong một GIS nhưng chúng không thích hợp cho phân tích số hoặc mô hình hoá. Để tiến hành phân tích trên dữ liệu địa hình, mô hình số độ cao cần phải được thiết lập. Bất kỳ biểu diễn số của một sự biến đổi liên tục sự uốn lượn trong không gian dưới dạng số được biết tới như là mô hình số độ cao (Zerger, 2002)
DEM được ứng dụng rất rông rãi trong các bài toán địa hình và nó có thể cho ra các sản phẩm như sau:
Hiển thị bề mặt, tính toán độ dốc, độ lồi, độ lõm và hình thái
Tính thể tích khối địa hình
Tính tầm nhìn
Vẽ bản đồ contour
Bản đồ bóng địa hình
Phân tách mạng sông suối, vùng trũng
Hình 8.1:: Các ứng dụng DEM để biểu diễn dữ liệu địa hình
8.2. Các mô hình bề mặt phổ biến
8.2.1. Mô hình bề mặt DEM (Digital elevation model):
Mô hình bề mặt DEM là một trong những cách thể hiện địa hình số hoá khá phổ biển trên thế giới hiện nay. DEM được thể hiện như là một lưới raster các điểm lưới vuông (ma trận độ cao). Vì DEM biểu diễn sự biến đổi liên tục của bề mặt nên mỗi ô của mạng lưới đều chứa đựng một giá trị độ cao. Những giá trị này có thể rút trực tiếp từ trên ảnh hàng không hoặc được rút ra (nội suy) từ các giá trị độ cao (các điểm quan sát) được đo đạc cho một số hữu hạn các điểm quan sát (Zerger, 2000).
Độ phân giải của DEM, hay là khoảng cách giữa 2 mắt lưới gần nhất, là một chỉ số rất quan trọng của DEM. Độ phân giải tốt nhất mà hiện phổ biến là 30m.
Dữ liệu về độ cao được dùng như đầu vào để xây dựng DEM. Hình vẽ dưới đây mô tả các đường bình độ, và mô hình DEM được xây dựng từ bản đồ các đường bình độ này.
Hình 8.2: Mô hình DEM (bên phải) được xây dựng trên cơ sở các đường bình độ (bên trái)
Cấu trúc dữ liệu như là ma trận các điểm có giá trị tương ứng với độ cao thực tế cho phép thực hiện các thuật toán để mô hình hoá góc dốc, hướng nghiêng, phân tích tầm nhìn trở lên rất thuận tiện.
Hình 8.3: Mô hình DEM được xây dựng từ bản đồ đường binh độ ở trên, dưới dạng 3D 8.2.2. Mô hình lưới tam giác không đều TIN (Triangular Irregular Network):
Một ma trận độ cao chiếm một không gian bộ nhớ khá lớn bởi vì nó phải lưu trữ giá trị độ cao của tất cả các điểm lưới. Mô hình số độ cao vượt qua được vấn đề bộ nhớ là mạng lưới tam giác không đều đặn (TIN). Trong trường hợp này chỉ những điểm độ cao điển hình mới được lưu trữ và được sử dụng làm mô hình cho bề mặt. Mô hình này là một mặt liên tục tạo thành bởi các tam giác khác nhau về kích thước tuỳ thuộc vào mức gập ghềnh của địa hình. Các tam giác lớn tương ứng với bề mặt tương đối bằng phẳng hoặc ít biến động về độ cao, ngược lại, các tam giác nhỏ tương ứng với địa hình thay đổi phức tạp hơn. Điều này làm cho TIN hiển thị địa hình tương đối hiệu quả. Mỗi tam giác có góc dốc nhất định được tính gần đúng với góc dốc thực của địa hình. Góc dốc, hướng bề mặt,… vì vậy có thể được tính toán trực tiếp từ mô hình TIN (Hunter, 2000).
Hình 8.4: Lưới tam giác không đều
Hình 8.5: Mô hình TIN được xây dựng trên cơ sở các đường bình độ ở hình 8.2, dạng 3D
8.3. Sử dụng DEM
Các lĩnh vực sử dụng DEM có thể liệt kê như sau:
Lưu trữ dữ liệu về độ cao cho các bản đồ địa hình trong CSDL quốc gia,
Thiết kế đường giao thông và các cơ sở hạ tầng hay các công trình, tác vụ quân sự khác,
Hiển thị phối cảnh 3 chiều vùng nghiên cứu theo các góc độ khác nhau, phục vụ bài toán qui hoạch,
Sử dụng tính tầm nhìn phục vụ mục đích quân sự và dân sự,
Qui hoạch đường, thuỷ lợi,
Nghiên cứu thống kê, so sánh cho các vùng có địa hình khác nhau,
Tính toán độ dốc, hình thái của địa hình, giải các bài toán về xói mòn, địa mạo,
Tích hợp với các dữ liệu khác về chất lượng đất, sử dụng đất, thảm thực vật để giải các bài toán về sinh thái,
Chồng xếp với ảnh vệ tinh hoặc ảnh hàng không phục vụ tốt hơn nữa công tác nghiên cứu ảnh,
Thay độ cao bằng các giá trị thuộc tính liên tục khác để mở rộng phạm vi nghiên cứu và ứng dụng.
8.4. Miêu tả địa hình thông qua DEM
Hai tham số thường hay được sử dụng để miêu tả địa hình là góc dốc và phương vị dốc.
8.4.1. Góc dốc:
Khái niệm góc dốc rất phổ biến trong các công tác quy hoạch mặt bằng, đo đạc,… Góc dốc là phép đo phản ảnh mức độ dốc của bề mặt. Góc dốc được xác định như là tang góc nghiêng như hình vẽ dưới đây.
Hình 8.6: Minh họa góc dốc
Trong khoa học quy hoạch, góc dốc thường được thể hiện dưới dạng %, tức là tang nhân với hệ số 100.
Góc dốc = Chênh lệch độ cao/Khoảng cách bằng * 100
Như vậy góc dốc 100% sẽ ứng với nghiêng 45o vì khi đó chênh lệch độ cao = khoảng cách mặt bằng.
Phương pháp tính toán góc dốc
Góc dốc được xác định căn cứ vào cửa sổ 3x3 ô lưới như hình vẽ 8.7 dưới đây. Cửa sổ này thể hiện độ cao của 8 ô lân cận (Z) xung quanh ô trung tâm tại cột i dòng j. Hình vẽ thể hiện cửa sổ quét (kernel) dùng trong ma trận độ cao. Cửa sổ này được quyét lần lượt để tính toán và gắn cho các ô tại trung tâm góc dốc và hướng tương ứng
Zi-1, j+1
Zi, j+1
Zi+1, j+1 Zi-1, j Zi, j Zi+1, j Zi-1, j-
1
Zi, j-1 Zi+1, j-1
Hình 8.7: Minh họa cách tính góc dốc
Góc dốc trung bình Đông-Tây được tính như sau:
δĐT= [(Zi+1,j+1 + 2Zi+1,j + Zi+1,j-1) - (Zi-1,j+1 + 2Zi-1,j + Zi-1,j-1)]/8δX
Góc dốc trung bình Bắc–Nam được tính như sau:
δBN = [(Zi+1,j+1 + 2Zi,j+1 + Zi-1,j+1) - (Zi+1,j-1 + 2Zi,j-1 + Zi-1,j-1)]/8δy Tại đó:
δx = khoảng cách Đông-Tây của ô lưới (chiều rộng của ô lưới) δy = khoảng cách Bắc-Nam của ô lưới (chiều cao ô lưới)
Góc dốc phần trăm:
GD% = 100 * [(δEW)^2*(δNS)^2]^1/2
Góc dốc góc (o):
GDo = ArcTangent[(δEW)^2 +(δNS)^2]^1/2 8.4.2. Phương vị dốc
Bề mặt dốc thường được định theo một hướng cụ thể. Hướng này được gọi là hướng của mặt dốc. Phương vị dốc là góc giữa hướng Bắc với hướng của góc dốc cực đại tính theo chiều kim đồng hồ. Phương vị dốc luôn nằm trong khoảng từ 0° tới 360° và tương ứng với những hướng: Bắc, Đông, Nam, Tây hoặc ở vị trí nào đó giữa 4 hướng chính này (xem hình 8.8).
Hướng địa lý Ma trận độ cao Hướng Góc dốc (%)
Hình 8.8: Tính toán hướng dốc trong raster
Góc dốc và phương vị hướng dốc có thể được vận dụng một cách hữu ích trong DEM khi mà một tính chất khác ngoài độ cao được xem xét. Ví dụ như DEM có thể được xây dựng cho biến chi phí đất đai. Góc dốc xác định những nơi mà tại đó chi phí đất đai thay đổi đột ngột.
8.5. Phân tích tầm nhìn
Khả năng xác định điểm có thể nhìn thấy, những đối tượng hoặc những vùng trên một khu vực cảnh quan có thể có ích cho nhiều mục đích khác nhau. Quy hoạch cảnh quan, quy hoạch quân sự, quy hoạch không gian và quy hoạch mạng lưới truyền thông là những lĩnh vực mà phân tích tầm nhìn sẽ có ích. Đối với mạng lưới truyền thông điều cần thiết là các tháp truyền thông càng cao thì khả năng tầm nhìn càng tốt. Đối với các cơ sở quân sự thì ngược lại càng khuất càng tốt.
Sử dụng mô hình số độ cao, chức năng quan sát có thể tạo ra bản đồ tầm nhìn tương hỗ chỉ định khu vực nào đó có thể quan sát được từ một điểm cụ thể (điểm nhìn) trên địa hình. Để tìm vùng có khả năng nhìn thấy từ một điểm nào đó, các tia sáng được xây dựng giữa điểm nhìn và tất cả các vị trí khác trên địa hình. Nếu tia sáng xuyên qua một phần của bề mặt địa hình có nghĩa là vị trí không nhìn thấy từ điểm quan sát. Khi địa hình không làm ngăn cản đường đi của ánh sáng thì điểm xung quanh sẽ được nhìn thấy (Zerger, 2000).
Hình 8.9: Quan sát lát cắt ngang của tia sáng xuyên qua khi gặp bề mặt
Điểm quan sát không cần thiết phải ở trên bề mặt địa hình mà nó có thể ở trên một độ cao nào đó so với bề mặt (ví dụ như trên nóc của một toà nhà). Giả thiết điểm quan sát du lịch phải dọc theo thung lũng. Chức năng quan sát tương hỗ có thể được thiết lập tại từng điểm theo cách này. Vị trí có diện tích quan sát rộng nhất chắc chắn là điểm quan sát tốt nhất.
Câu hỏi chương VIII.
1. Các mô hình bề mặt phổ biến.
2. Mô tả địa hình thông qua đêm.
3. Phân tích địa hình.