Hướng dẫn thực hành GIS & viễn thám

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP - 2017 ThS. NGUYỄN TRỌNG MINH ThS. LÊ THỊ KHIẾU H­íng dÉn thùc hµnh gis & viÔn th¸m 1 THS. NGUYỄN TRỌNG MINH, THS. LÊ THỊ KHIẾU BÀI GIẢNG HƯỚNG DẪN THỰC HÀNH GIS & VIỄN THÁM TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP – 2017 2 3 ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện nay, những thách thức chính mà chúng ta đang phải đối mặt - bùng nổ dân số, ô nhiễm, phá rừng, thiên tai - chiếm một không gian địa lý quan trọng. Vì vậy, cần thiết phải có công cụ để thống kê, phân tích, quản lý các đối tượng này dựa trên không gian địa lý thay cho các phương pháp truyền thống, thủ công trước đây. Sự ra đời của kỹ thuật, của hệ thống thông tin địa lý (GIS) và viễn thám đã đáp ứng được các yêu cầu để quản lý thông tin một cách cập nhật, chính xác và lượng thông tin lưu trữ đủ lớn. Với các chức năng của mình, GIS được đánh giá là một hệ thống toàn diện có khả năng mạnh trong lưu trữ, quản lý, trao đổi, cập nhật các thông tin liên quan đến không gian địa lý một cách đồng bộ và logic. Bên cạnh đó, GIS cho phép tạo lập bản đồ, phối hợp thông tin, khái quát các viễn cảnh, giải quyết các vấn đề phức tạp và phát triển các giải pháp quản lý thông tin hiệu quả mà trước đây không thực hiện được. Lập bản đồ và phân tích địa lý không phải là kỹ thuật mới, nhưng GIS thực thi các công việc này tốt hơn và nhanh hơn các phương pháp thủ công cũ. Trong nội dung về GIS các sinh viên sẽ nắm được các khái niệm cơ bản về GIS và việc ứng dụng công nghệ GIS trong xây dựng lưu trữ thông tin bản đồ số. Viễn thám (RS) là một khoa học nghiên cứu, phân tích, xác định các đặc điểm, tính chất các đối tượng trên bề mặt trái đất từ xa mà không cần tiếp xúc trực tiếp với chúng. Thông tin các đối tượng sẽ được thể hiện dưới dạng hình ảnh và phân tích phản xạ phổ các đối tượng. Từ khi loài người phóng thành công vệ tinh nhân tạo chúng ta đã bước vào kỷ nguyên mới trong đó công nghệ vũ trụ được sử dụng phục vụ vào các mục đích phát triển cho cuộc sống trên trái đất. Công nghệ viễn thám với các hệ thống thu thập thông tin đa phổ, đa thời gian đã cho phép chúng ta thực hiện các công việc thu thập và tổng hợp dữ liệu một cách nhanh chóng hơn, hiệu quả hơn cũng như mang đến nhiều nhận thức mới về trái đất mà từ trước tới nay vẫn còn là những điều bí ẩn. Việc ứng dụng công nghệ viễn thám sẽ mang lại hiệu quả to lớn trong việc giữ gìn và phát triển bền vững các nguồn tài nguyên trên trái đất. Các học viên sẽ nắm được những nguyên lý cơ bản của kỹ thuật viễn thám và các phương pháp giải đoán, xử lý thu nhận các thông tin từ ảnh viễn thám phục vụ cho công tác quản lý, theo dõi, quy hoạch tài nguyên thiên nhiên. Các dữ liệu xử lý từ viễn thám sẽ được liên 4 kết xử lý nhờ hệ thống thông tin địa lý để các thông tin có thể được thể hiện dưới dạng hình ảnh bản đồ và thực hiện một số bài toán chồng xếp, tích hợp các thông tin trong công tác quản lý, theo dõi diễn biến tài nguyên thiên nhiên. Với mục đích tăng cường khả năng tiếp cận của người học với GIS và viễn thám, Bộ môn Điều tra quy hoạch rừng đã xây dựng nội dung thực hành GIS và viễn thám dựa trên 2 phần mềm chuyên dụng: ArcGIS và ENVI. Ngoài ra, nội dung phần thực hành cũng góp phần giúp sinh viên nắm bắt và hiểu rõ những khái niệm và quy trình vận dụng trong GIS và viễn thám. 5 MỤC LỤC ĐẶT VẤN ĐỀ ....................................................................................................... 3 Phần 1 .................................................................................................................. 13 ỨNG DỤNG ARCGIS TRONG XÂY DỰNG CSDL BẢN ĐỒ ....................... 13 Bài 1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ARCGIS ....................................................... 13 1.1. Mục tiêu và yêu cầu ..................................................................................... 13 1.1.1. Mục tiêu ..................................................................................................... 13 1.1.2. Yêu cầu ...................................................................................................... 13 1.2. Nội dung thực hành ...................................................................................... 13 1.2.1. Giới thiệu chung về phần mềm ArcGIS ..................................................... 13 1.2.2. Một số chức năng của các thanh menu chính trong ArcGIS .................... 20 1.3. Các bước trong xây dựng bản đồ số bằng ArcMap ..................................... 21 1.4. Nội dung luyện tập kỹ năng ......................................................................... 22 Bài 2. ĐỊNH VỊ ẢNH BẢN ĐỒ ......................................................................... 23 2.1. Mục tiêu và yêu cầu ..................................................................................... 23 2.1.1. Mục tiêu ..................................................................................................... 23 2.1.2. Yêu cầu ...................................................................................................... 23 2.2. Nội dung thực hiện ....................................................................................... 23 2.2.1. Thiết lập các hệ tọa độ trong ArcGis ........................................................ 23 2.2.2. Thiết lập thông số cho Data frame ............................................................ 25 2.2.3. Đăng ký tọa độ cho ảnh bản đồ ................................................................ 25 Bài 3. TÁCH VÀ XÁC ĐỊNH CÁC LỚP THÔNG TIN ................................... 27 3.1. Mục tiêu và yêu cầu ..................................................................................... 27 3.1.1. Mục tiêu ..................................................................................................... 27 3.1.2. Yêu cầu ...................................................................................................... 27 3.2. Quản lý CSDL bằng ArcCatalog.................................................................. 27 3.3. Tách lớp thông tin và biên tập các đối tượng ............................................... 28 3.3.1. Khởi động ArcCatalog .............................................................................. 29 3.3.2. Xây dựng các lớp thông tin ....................................................................... 29 Bài 4. SỐ HÓA BẢN ĐỒ VÀ KHẢ NĂNG PHÂN TÍCH KHÔNG GIAN ..... 33 4.1. Mục tiêu và yêu cầu ..................................................................................... 33 4.1.1. Mục tiêu ..................................................................................................... 33 4.1.2. Yêu cầu ...................................................................................................... 33 6 4.2. Số hóa đối tượng bản đồ ............................................................................... 33 4.2.1. Đối tượng dạng điểm ................................................................................. 35 4.2.2. Đối tượng dạng đường .............................................................................. 35 4.2.3. Đối tượng dạng vùng ................................................................................. 37 4.2.4. Đối tượng dạng Text .................................................................................. 40 4.3. Một số chức năng phân tích không gian của ArcMap (sử dụng Arctoolbox) 42 4.3.1. Sử dụng chức năng Analysis toolbox / Extract ......................................... 41 4.3.2. Sử dụng chức năng Analysis toolbox / Overlay ........................................ 42 Bài 5. TẠO LẬP CSDL THUỘC TÍNH VÀ HIỂN THỊ CÁC LỚP THÔNG TIN CHUYÊN ĐỀ ...................................................................................................... 45 5.1. Mục tiêu và yêu cầu ...................................................................................... 45 5.1.1. Mục tiêu ..................................................................................................... 45 5.1.2. Yêu cầu ...................................................................................................... 45 5.2. Xây dựng bảng CSDL thuộc tính cho các lớp thông tin .............................. 45 5.3. Thiết kế bản đồ chuyên đề ............................................................................ 50 5.3.1. Chồng xếp các lớp thông tin ...................................................................... 50 5.3.2. Các phương pháp hiển thị dữ liệu ............................................................. 50 5.3.3. Hiển thị nhãn ............................................................................................. 54 Bài 6. THIẾT KẾ TRANG IN VÀ IN ẤN .......................................................... 56 6.1. Mục tiêu và yêu cầu ...................................................................................... 57 6.1.1. Mục tiêu ..................................................................................................... 57 6.1.2. Yêu cầu ...................................................................................................... 57 6.2. Thiết kế trang in và in ấn .............................................................................. 57 Phần 2. SỬ DỤNG ENVI TRONG XỬ LÝ ẢNH VIỄN THÁM ...................... 66 Bài 7. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BỘ SẢN PHẨM ENVI................................. 66 7.1. Mục tiêu và yêu cầu ...................................................................................... 66 7.1.1. Mục tiêu ..................................................................................................... 66 7.1.2. Yêu cầu ...................................................................................................... 66 7.2. Giới thiệu về ENVI ...................................................................................... 66 7.3. Một số đặc điểm và tính năng của ENVI ..................................................... 67 7.4. Hệ thống các trình đơn trên thanh Menu của ENVI .................................... 70 Bài 8. HIỂN THỊ VÀ TRÍCH XUẤT CHỈ SỐ THỰC VẬT .............................. 72 8.1. Mục tiêu và yêu cầu ...................................................................................... 72 7 8.1.1. Mục tiêu ..................................................................................................... 72 8.1.2. Yêu cầu ...................................................................................................... 72 8.2. Hiển thị các đối tượng trong ENVI .............................................................. 72 8.3. Chiết xuất các chỉ số trong ENVI ................................................................ 79 8.3.1. Chỉ số NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) ......................... 79 8.3.2. Chỉ số STVI ................................................................................................ 81 Bài 9. SỬ DỤNG ENVI TRONG PHÂN LOẠI CÓ KIỂM ĐỊNH.................... 82 9.1. Mục tiêu và yêu cầu ..................................................................................... 82 9.1.1. Mục tiêu ..................................................................................................... 82 9.1.2. Yêu cầu ...................................................................................................... 82 9.2. Sử dụng ENVI trong quy trình đoán đọc ảnh bằng xử lý số ........................ 82 9.2.1. Xác định vùng mẫu .................................................................................... 82 9.2.2. Lựa chọn thuật toán phân loại .................................................................. 84 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 87 8 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Các tổ hợp trong ArcGis ............................................................................... 13 Hình 1.2. Gói phần mềm ArcInfo ................................................................................. 16 Hình 1.3. Giao diện làm việc của ArcMap .................................................................... 16 Hình 1.4. Giao diện làm việc của ArcCatalog .............................................................. 17 Hình 1.5. Giao diện làm việc của ArcGlobe ................................................................. 17 Hình 1.6. Hộp thoại Arctoolbox trong ArcGIS ............................................................. 18 Hình 1.7. Mô hình thể hiện cho GeoDatabase .............................................................. 19 Hình 1.8. Giao diện khi mở gói phần mềm ArcMap ..................................................... 20 Hình 2.1. Các thông số khi thay đổi cho VN2000 múi 3 tỉnh Gia Lai .......................... 24 Hình 2.2. Minh họa lựa chọn dữ liệu và hệ tọa độ ........................................................ 25 Hình 2.3. Minh họa về điểm định vị và cách lựa chọn ................................................. 26 Hình 3.1. Giao diện sử dụng của gói sản phẩm ArcCatalog ......................................... 27 Hình 3.2. Một số chức năng hiển thị chính trong ArcCatalog ...................................... 28 Hình 3.3. Công cụ trong box Connect to Folder ........................................................... 30 Hình 3.4. Minh họa cho quá trình tạo mới một Feature dataset .................................... 31 Hình 3.5. Minh họa cho quá trình tạo mới một Feature class ....................................... 32 Hình 4.1. Minh họa cho quá trình tạo lớp thông tin có đối tượng dạng điểm ............... 34 Hình 4.2. Minh họa cho quá trình tạo lớp thông tin có đối tượng dạng đường ............ 35 Hình 4.3. Các biểu tượng có liên quan tới việc chỉnh sửa các đối tượng dạng đường . 36 Hình 4.4. Công cụ Edit Vertices ................................................................................... 36 Hình 4.5. Công cụ Construction tools ......................................................................... 379 Hình 4.6. Box Annotation Construction........................................................................ 40 Hình 4.7. Minh họa kỹ thuật Clip ................................................................................. 41 Hình 4.8. Minh họa kỹ thuật Split ................................................................................ 42 Hình 4.9. Minh họa kỹ thuật Erase ............................................................................... 42 Hình 4.10. Minh họa kỹ thuật Intersect ........................................................................ 43 Hình 4.11. Minh họa kỹ thuật Union ........................................................................... 43 Hình 4.12. Minh họa kỹ thuật Buffer ........................................................................... 44 Hình 4.13. Các trình đơn lựa chọn chuyển đổi dữ liệu ................................................. 44 Hình 5.1. Hộp thoại Add Field ...................................................................................... 46 Hình 5.2. Hộp thoại Attributes ...................................................................................... 47 Hình 5.3. Minh họa cho các hoạt động trên bảng thuộc tính ........................................ 48 Hình 5.4. Lựa chọn Calculate Geometry trên bảng Attribute ....................................... 49 Hình 5.5. Điều chỉnh các định dạng cho hiển thị đối tượng đơn .................................. 51 9 Hình 5.6. Điều chỉnh các định dạng cho hiển thị Catergories ....................................... 52 Hình 5.7. Điều chỉnh các định dạng cho hiển thị Quantities ......................................... 54 Hình 5.8. Hộp thoại Label Manager .............................................................................. 55 Hình 5.9. Minh họa cho hiển thị nhãn ........................................................................... 55 Hình 5.10. Hộp thoại Label Expresion .......................................................................... 56 Hình 6.1. Hộp thoại Page and Print Setup ..................................................................... 57 Hình 6.2. Đặt tỷ lệ bản đồ .............................................................................................. 58 Hình 6.3. Điều chỉnh khung Data Frame ....................................................................... 58 Hình 6.4. Tạo lưới chiếu cho bản đồ ............................................................................. 59 Hình 6.5. Sửa lỗi tọa độ có nhiều số 0 sau dấu phẩy ..................................................... 60 Hình 6.6. Lựa chọn trong box Neatline ......................................................................... 61 Hình 6.7. Tạo thước tỷ lệ .............................................................................................. 61 Hình 6.8. Tạo mũi tên chỉ hướng bắc ............................................................................ 62 Hình 6.9. Các bước trong tạo bảng chú giải .................................................................. 64 Hình 6.10. Điều chỉnh bảng chú giải ............................................................................. 65 Hình 7.1. Mối liên hệ giữa viễn thám và GIS ............................................................. 667 Hình 8.1. Giao diện ENVI ........................................................................................... 723 Hình 8.2. Các bước hiển thị ảnh .................................................................................. 734 Hình 8.3. Đọc các thông tin cơ bản của ảnh ................................................................ 745 Hình 8.4. Chức năng giao tiếp và hiển thị ................................................................... 756 Hình 8.5. Tổ hợp màu thật ........................................................................................... 767 Hình 8.6. Liên kết động và chồng ảnh......................................................................... 778 Hình 8.7. Khả năng hiện thị ở các tổ hợp màu .............................................................. 79 Hình 8.8. Tách chỉ số NDVI ........................................................................................ 801 Hình 9.1. Hộp thoại ROI Tool ..................................................................................... 834 Hình 9.2. Kết quả và quy trình phân loại .................................................................... 846 10 DANH MỤC TỪ, CHỮ VIẾT TẮT CAD Computer Aid Design CSDL Cơ sở dữ liệu DEM Digital Evaluation Model ENVI Environment for Visualizing Images ESRI Environmental Systems Research Institute GIS Geographic Information System Landsat Land Statellize PC Personal Computer QT Quy trình RS Remote Sensing RGB Tổ hợp màu Red:Green:Blue ROI Region of Interest SPOT Satellite Pour l’Observation de la Terre TOC Table of Contents UTM WGS Universal Transverse Mercator - World Geodetic System 11 MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG THỰC HÀNH Về mục tiêu của thực hành Về kiến thức: Học phần thực hành môn học GIS và viễn thám nhằm trang bị cho sinh viên kiến thức cơ bản của công cụ GIS & RS và trong nghiên cứu và quản lý các nguồn tài nguyên thiên nhiên, đặc biệt trong lĩnh vực Lâm nghiệp. Học phần sẽ giúp cho sinh viên có phương pháp luận và thực tế sử dụng các công cụ (phần mềm ứng dụng trong GIS và RS) để khảo sát và quản lý. Về kỹ năng: Sau khi kết thúc học phần sinh viên nắm được các kiến thức cơ bản về hệ thống thông tin địa lý và viễn thám, các kỹ năng xây dựng và phân tích cơ sở dữ liệu không gian và thuộc tính sử dụng phần mềm GIS. Ngoài ra, sinh viên sẽ ứng dụng GIS và viễn thám phục vụ nghiên cứu khoa học, các kiến thức và