Mô hình độ cao số (DEM – Digital Elevation Model) đóng vai trò then chốt trong lĩnh vực địa lý, bản đồ và các nghiên cứu liên quan đến phân tích địa hình, và tái hiện bề mặt Trái Đất dưới dạng số hóa. DEM không chỉ cung cấp thông tin về độ cao của địa hình mà còn hỗ trợ hiệu quả trong nhiều ngành như quy hoạch đô thị, quản lý tài nguyên thiên nhiên, dự báo lũ lụt, và thậm chí trong mô phỏng quân sự. Vậy DEM là gì và tại sao nó lại quan trọng đến vậy? Hãy cùng khám phá những thông tin cần biết về DEM trong nội dung sau đây!
Mô hình độ cao số DEM là gì?
Dữ liệu mô hình độ cao số (DEM – Digital Elevation Model) là một dạng dữ liệu số mô phỏng bề mặt địa hình của Trái Đất bằng cách biểu diễn độ cao tại các điểm trong không gian dưới dạng lưới hoặc lưới tam giác. Mỗi điểm trên DEM chứa một giá trị độ cao (z) tương ứng với vị trí địa lý (x, y), tạo thành một bản đồ độ cao số có thể sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau.
Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng DEM
Chất lượng của mô hình độ cao số (DEM – Digital Elevation Model) chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, đòi hỏi phải cân nhắc cẩn thận khi tạo và sử dụng:
Đặc điểm địa hình
Độ phức tạp và gồ ghề của địa hình ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng DEM. Độ dốc lớn, vách đá và bề mặt không bằng phẳng gây ra thách thức trong việc nắm bắt chính xác những thay đổi về độ cao.
Mật độ lấy mẫu
Phương pháp được sử dụng để thu thập dữ liệu độ cao dù thông qua LiDAR, radar hay các công nghệ khác đều ảnh hưởng trực tiếp đến mật độ lấy mẫu. Mật độ lấy mẫu cao hơn góp phần thể hiện địa hình chi tiết và chính xác hơn.
Độ phân giải lưới hoặc kích thước pixel
Độ phân giải lưới hoặc kích thước pixel trong DEM là một yếu tố quan trọng. Độ phân giải tốt hơn tăng khả năng nắm bắt những thay đổi nhỏ trong cảnh quan, nhưng cũng đòi hỏi tính toán nhiều hơn.
Phương pháp nội suy
Trong quá trình tạo DEM, phương pháp nội suy dùng để dự đoán độ cao ở các điểm giữa các giá trị đo đạc thực tế. Các phương pháp nội suy khác nhau như Kriging, Inverse Distance Weighting (IDW), hay Triangular Irregular Network (TIN) có thể tạo ra kết quả khác nhau, ảnh hưởng đến độ chính xác, độ mịn của DEM.
Độ phân giải theo chiều dọc
Độ chính xác của các giá trị độ cao theo chiều dọc là yếu tố quyết định chính của chất lượng DEM. Tuy nhiên, độ phân giải càng cao thì dung lượng dữ liệu càng lớn, và việc xử lý cũng phức tạp hơn.
Thuật toán phân tích địa hình
Các thuật toán được sử dụng để phân tích địa hình, chẳng hạn như tính toán độ dốc và hướng, góp phần vào chất lượng chung của các sản phẩm thu được từ DEM.
Hiệu chỉnh dữ liệu
Sau khi thu thập, dữ liệu thường cần được hiệu chỉnh để loại bỏ các điểm bất thường (outliers) hoặc sai số hệ thống. Quy trình hiệu chỉnh này đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện độ chính xác của DEM.
Ảnh hưởng của môi trường
Các yếu tố như thời tiết, độ ẩm không khí, và góc chiếu của vệ tinh cũng có thể ảnh hưởng đến dữ liệu thu thập, đặc biệt trong các phương pháp thu thập như ảnh radar hoặc LiDAR.
Độ phân giải của mô hình độ cao số DEM là gì?
Độ phân giải của DEM là một khái niệm đa diện bao gồm ba chiều quan trọng: độ phân giải không gian, độ phân giải theo chiều dọc và độ phân giải theo thời gian.
Độ phân giải không gian
Độ phân giải không gian của mô hình độ cao số đề cập đến mức độ chi tiết trong việc thể hiện bề mặt Trái Đất, được thể hiện bằng kích thước của các ô lưới hoặc pixel (ví dụ: 30 mét cho mỗi pixel). Độ phân giải này phụ thuộc vào khoảng cách giữa các điểm lấy mẫu, yếu tố rất quan trọng đối với tính phù hợp của dự án.
Độ phân giải theo chiều dọc
Độ chính xác theo chiều dọc hoặc độ phân giải theo chiều dọc là yếu tố chính quyết định chất lượng của DEM. Nó đo sự chênh lệch độ cao tiềm ẩn giữa độ cao được mô hình hóa hoặc đo được với độ cao thực tế của bề mặt.
Dù LiDAR thường cung cấp độ phân giải không gian và độ phân giải theo chiều dọc vượt trội, nhưng nó có thể không được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau do vấn đề về chi phí.
Điều đáng chú ý là các nhà cung cấp DEM khác nhau có thể đưa ra các định nghĩa riêng biệt về độ phân giải hoặc độ chính xác theo chiều dọc, nhấn mạnh tầm quan trọng của việc hiểu những sắc thái này khi đánh giá chất lượng dữ liệu.
Độ phân giải thời gian
Độ phân giải thời gian của DEM xem xét dữ liệu độ cao được sử dụng để tạo DEM thu thập trong thời gian gần nhất. Điều này đặc biệt có liên quan đến việc phân tích thay đổi hoặc khi nghiên cứu các hiện tượng thay đổi theo thời gian như sự phát triển của thảm thực vật hoặc công trình xây dựng mới kết hợp với mô hình bề mặt kỹ thuật số (DSM).
Việc nhận thức được khía cạnh thời gian là rất quan trọng để đảm bảo dữ liệu độ cao phù hợp với khung thời gian của dự án hoặc ứng dụng cụ thể.
Ảnh hưởng của độ phân giải DEM đến chất lượng dữ liệu:
- Độ phân giải cao: DEM có độ phân giải cao sẽ cho phép biểu diễn chi tiết địa hình rõ ràng hơn, phù hợp với các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao như lập bản đồ địa hình chi tiết, thiết kế công trình, hoặc nghiên cứu nguy cơ lũ lụt.
- Độ phân giải thấp: DEM có độ phân giải thấp thường phù hợp với các nghiên cứu quy mô lớn hoặc tổng quát, ví dụ như phân tích lưu vực sông hoặc mô hình hóa địa hình ở mức vùng hoặc quốc gia, nơi mà chi tiết nhỏ của địa hình không quá quan trọng.
Dữ liệu mô hình độ cao số DEM có định dạng gì?
DEM có nhiều định dạng tệp khác nhau và không có một định dạng chuẩn nào giống với tệp hình ảnh raster. Các nhà cung cấp dữ liệu và nhà sản xuất phần mềm khác nhau thường có thông số kỹ thuật riêng, dẫn đến nhiều định dạng khác nhau cho DEM. Dưới đây là một số định dạng DEM bạn nên biết.
USGS DEM và SDTS
USGS và CTI Canada sử dụng định dạng DEM hoặc SDTS. Định dạng DEM của USGS dựa trên ASCII, có thể xem bằng bất kỳ trình soạn thảo văn bản nào. Các ứng dụng để tô bóng địa hình và thao tác địa hình có thể dễ dàng nhập định dạng này, được xác định bằng phần mở rộng tệp “.DEM”.
Mặt khác, SDTS (Tiêu chuẩn truyền dữ liệu không gian) là một định dạng phức tạp hơn được thiết kế để lưu trữ nhiều loại dữ liệu địa lý khác nhau. Một tập dữ liệu SDTS bao gồm khoảng 20 tệp, mỗi tệp có phần mở rộng tệp “.DDF”. Do tính phức tạp của nó, hỗ trợ cho SDTS không phổ biến như định dạng DEM đơn giản hơn.
ESRI
ESRI, một nhà cung cấp hệ thống thông tin địa lý nổi tiếng, xác định định dạng tệp lưới riêng của mình, bao gồm phiên bản nhị phân và ASCII. Phiên bản ASCII dễ hiểu và có thể chỉnh sửa bằng trình soạn thảo văn bản, có phần tiêu đề ngắn gọn mô tả vị trí và kích thước của lưới.
GeoTIFF (.tif)
Đây là định dạng phổ biến nhất cho dữ liệu DEM vì nó có thể lưu trữ thông tin không gian và thuộc tính độ cao trong một tệp ảnh raster. GeoTIFF hỗ trợ tọa độ địa lý, giúp DEM dễ dàng tích hợp vào các phần mềm GIS (Hệ thống Thông tin Địa lý). Ưu điểm là dễ sử dụng, tương thích với nhiều phần mềm GIS và viễn thám.
NetCDF (.nc)
Là định dạng dữ liệu không gian đa chiều, thường được sử dụng trong các ứng dụng nghiên cứu môi trường và khí hậu. NetCDF cho phép lưu trữ các loại dữ liệu có độ phức tạp cao như thông tin thời gian và các lớp địa hình khác nhau, hữu ích khi nghiên cứu DEM kết hợp với dữ liệu khí tượng, hải dương học.
Những hạn chế của mô hình số độ cao số DEM
Mô hình độ cao số (DEM) đặt ra những thách thức liên quan đến nhu cầu lưu trữ và tính toán đáng kể. Độ tin cậy của chúng phụ thuộc vào độ chính xác và độ phân giải của các phương pháp thu thập dữ liệu, tác động đến chất lượng dữ liệu tổng thể.
Hơn nữa, việc giải thích DEM đòi hỏi các kỹ năng kỹ thuật chuyên biệt, có chuyên môn về GIS hoặc viễn thám. Việc sửa lỗi và hiện vật trong dữ liệu DEM đòi hỏi quá trình xử lý phức tạp, dẫn đến sự phức tạp trong việc điều chỉnh dữ liệu.
Ngoài ra, DEM thường cung cấp chế độ xem tĩnh, bỏ qua những thay đổi theo thời gian trong cảnh quan. Việc cân bằng phạm vi phủ sóng và độ phân giải trong DEM cũng là thách thức, thúc đẩy người dùng đưa ra quyết định chiến lược dựa trên nhu cầu cụ thể của họ.
Mô hình độ cao số (DEM) là một công cụ không thể thiếu trong việc phân tích và tái hiện địa hình số, đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực từ quy hoạch đô thị, quản lý tài nguyên đến nghiên cứu quân sự. Tuy nhiên, chất lượng của DEM phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nguồn dữ liệu, độ phân giải, phương pháp nội suy và điều kiện địa hình, đòi hỏi sự cân nhắc kỹ lưỡng trong quá trình thu thập và xử lý.
Hiểu rõ các yếu tố này không chỉ giúp nâng cao độ chính xác của DEM mà còn tối ưu hóa ứng dụng của nó trong thực tiễn. Hy vọng rằng bài viết đã giúp bạn có cái nhìn sâu sắc hơn về DEM và cách cải thiện chất lượng dữ liệu để đáp ứng tốt nhất nhu cầu công việc.
Để tìm hiểu thêm về DEM và các mô hình liên quan như DSM, DTM, bạn có thể đọc thêm tại: DEM, DSM và DTM là gì? Sự khác biệt cơ bản giữa DEM và DSM và DTM?
