Chào mừng các bạn tới với Chặng 3 trong Series "Lộ trình làm chủ GIS từ số 0"!
Trong bài viết về nội suy trước, chúng ta đã làm quen với TIN (Triangulated Irregular Network) – một mô hình biểu diễn bề mặt địa hình được xây dựng từ các điểm độ cao và mạng lưới tam giác không đều. Tuy nhiên, TIN chỉ là một trong nhiều cách mô phỏng bề mặt địa hình. Trong thực tế, hầu hết các bài toán phân tích không gian như quy hoạch đô thị, đánh giá tác động môi trường, mô phỏng ngập lụt, phân tích sạt lở hay thiết kế hạ tầng giao thông đều cần đến một mô hình số bề mặt để mô tả sự biến thiên của địa hình theo không gian. Chính dữ liệu này cung cấp thông tin về cao độ (Z), giúp các phép phân tích được mở rộng từ không gian hai chiều (2D) sang mô hình ba chiều (3D), phản ánh chính xác hơn điều kiện tự nhiên ngoài thực địa.
Mặc dù vậy, trong quá trình học tập và làm việc, không ít người vẫn sử dụng thuật ngữ DEM để chỉ chung mọi loại dữ liệu cao độ. Đây là một cách gọi thuận tiện nhưng chưa hoàn toàn chính xác. Tùy theo mục đích xây dựng và đối tượng được mô phỏng, dữ liệu bề mặt được chia thành ba mô hình số khác nhau: DEM (Digital Elevation Model), DTM (Digital Terrain Model) và DSM (Digital Surface Model). Mỗi mô hình phản ánh một loại bề mặt riêng và được thiết kế để phục vụ những nhóm bài toán phân tích khác nhau.
Trong bài viết này, chúng ta sẽ cùng tìm hiểu khái niệm của từng mô hình, phân tích sự khác biệt giữa DEM, DTM và DSM, đồng thời tìm hiểu các dạng cấu trúc dữ liệu phổ biến được sử dụng để lưu trữ và biểu diễn chúng trong các hệ thống GIS hiện nay.
 |
| Nguồn: Ảnh minh họa do tác giả tạo bằng AI |
1. Định nghĩa và phân biệt bản chất của DSM, DTM và DEM
DSM (Digital Surface Model) – Mô hình số bề mặt
DSM là mô hình biểu diễn độ cao của toàn bộ bề mặt Trái Đất tại thời điểm thu nhận dữ liệu. Giá trị cao độ trong DSM không chỉ bao gồm địa hình tự nhiên mà còn bao gồm tất cả các đối tượng tồn tại trên bề mặt như công trình xây dựng, thảm thực vật và các hạ tầng nhân tạo. Nói cách khác, DSM phản ánh lớp bề mặt mà cảm biến quan sát được đầu tiên từ phía trên xuống.
Các đối tượng được thể hiện trong DSM bao gồm:
- Bề mặt đất tự nhiên.
- Thảm thực vật như cây xanh, rừng hoặc cây đô thị.
- Công trình nhân tạo như nhà ở, tòa nhà, cầu, cột điện và các hạ tầng khác.
Nhờ mô phỏng đầy đủ các vật thể trên mặt đất, DSM được sử dụng rộng rãi trong các bài toán cần đánh giá ảnh hưởng của công trình hoặc thảm thực vật đến môi trường xung quanh. Một số ứng dụng tiêu biểu gồm:
- Viễn thông: Phân tích tầm nhìn (Line of Sight) và vùng phủ sóng của các hệ thống truyền dẫn vô tuyến.
- Quản lý đô thị: Xác định chiều cao công trình, mô phỏng bóng đổ của các tòa nhà và đánh giá cảnh quan đô thị.
- Lâm nghiệp: Ước tính chiều cao tán cây, mật độ che phủ và sinh khối rừng.
DTM (Digital Terrain Model) – Mô hình số địa hình
DTM là mô hình biểu diễn bề mặt đất trọc (Bare-earth) sau khi toàn bộ công trình, cây cối và các đối tượng trên mặt đất đã được loại bỏ bằng các thuật toán xử lý dữ liệu. Mô hình này phản ánh chính xác hình dạng tự nhiên của địa hình và thường được sử dụng trong các bài toán mô phỏng quá trình tự nhiên.
Ở nhiều quốc gia, đặc biệt tại châu Âu, DTM còn mang ý nghĩa rộng hơn DEM. Ngoài dữ liệu cao độ, DTM có thể tích hợp thêm các yếu tố địa hình dạng vector như đường gãy địa hình (breaklines), đường phân thủy, đường tụ thủy, bờ sông hoặc các đường đặc trưng khác nhằm mô tả chính xác hơn hình thái địa hình.
Nhờ loại bỏ các vật cản trên bề mặt, DTM là dữ liệu phù hợp cho nhiều lĩnh vực nghiên cứu và kỹ thuật như:
- Thủy văn: Mô phỏng hướng dòng chảy, lưu lượng dòng chảy và xác định lưu vực. Nếu sử dụng DSM, các công trình hoặc tán cây có thể tạo ra những vật cản không tồn tại trong thực tế địa hình, làm sai lệch kết quả mô phỏng.
- Địa chất và địa kỹ thuật: Đánh giá nguy cơ sạt lở, xói mòn và phân tích ổn định mái dốc.
- Xây dựng: Tính toán khối lượng đào đắp (Cut and Fill) trong thiết kế đường giao thông, san nền và các công trình hạ tầng.
DEM (Digital Elevation Model) – Mô hình số độ cao
DEM là mô hình lưu trữ giá trị cao độ của bề mặt đất trọc dưới dạng lưới raster, trong đó mỗi ô lưới chứa một giá trị cao độ đại diện cho một khu vực trên mặt đất. Đây là dạng dữ liệu cao độ phổ biến nhất trong các hệ thống GIS hiện nay và là đầu vào cho hầu hết các phép phân tích bề mặt địa hình.
Khái niệm DEM đôi khi dễ gây nhầm lẫn vì được sử dụng theo nhiều cách khác nhau. Theo một số tiêu chuẩn dữ liệu, chẳng hạn như của USGS (United States Geological Survey), DEM và DTM có thể được xem là tương đương và đều biểu diễn bề mặt đất trọc. Tuy nhiên, trong nhiều tài liệu chuyên ngành, DEM chỉ bao gồm các giá trị cao độ phân bố đều trên lưới raster, trong khi DTM có thể được bổ sung thêm các yếu tố địa hình như breaklines nhằm mô tả bề mặt tự nhiên chính xác hơn.
Nhờ cấu trúc đơn giản và khả năng xử lý hiệu quả, DEM được sử dụng làm dữ liệu nền cho hầu hết các công cụ phân tích địa hình trong các phần mềm GIS như ArcGIS Pro và QGIS, bao gồm tính toán độ dốc (Slope), hướng dốc (Aspect), bản đồ đổ bóng (Hillshade), phân tích dòng chảy và xác định lưu vực.
Mối quan hệ giữa DSM, DTM và DEM
Ba mô hình đều mô tả dữ liệu cao độ nhưng phản ánh các lớp bề mặt khác nhau. Về mặt khái niệm, có thể biểu diễn mối quan hệ giữa chúng như sau:
DSM = DTM + Các đối tượng trên mặt đất (công trình, cây cối, thảm thực vật,...)
Hay nói cách khác, về mặt khái niệm, nếu loại bỏ toàn bộ các đối tượng nằm trên bề mặt như công trình và thảm thực vật khỏi DSM, chúng ta sẽ thu được bề mặt địa hình tự nhiên được biểu diễn bởi DTM. Trong khi đó, DEM là mô hình lưu trữ giá trị cao độ của bề mặt đất trọc dưới dạng lưới raster và thường được xem là dữ liệu nền cho các phép phân tích địa hình trong GIS. Nhờ cấu trúc đơn giản, khả năng xử lý nhanh và được hầu hết các phần mềm GIS hỗ trợ, DEM trở thành loại dữ liệu được sử dụng phổ biến nhất trong các bài toán phân tích bề mặt như tính toán độ dốc (Slope), hướng dốc (Aspect), bản đồ đổ bóng (Hillshade) và mô phỏng thủy văn.
2. So sánh trực quan giữa DSM, DTM và DEM
| Tiêu chí | DSM (Digital Surface Model) | DTM (Digital Terrain Model) | DEM (Digital Elevation Model) |
| Bề mặt thể hiện | Bề mặt cao nhất (bao gồm cả vật thể). | Bề mặt đất trọc tự nhiên + Đường cấu trúc địa hình. | Bề mặt đất trọc dạng ô lưới đều. |
| Thảm thực vật & Nhà cửa | Có giữ lại. | Đã bị loại bỏ hoàn toàn. | Đã bị loại bỏ hoàn toàn. |
| Công nghệ thu thập chính | LiDAR, Ảnh hàng không (Drone/UAV), Ảnh vệ tinh quang học độ phân giải cao. | Được trích xuất từ dữ liệu LiDAR sau khi lọc bỏ điểm (Point Cloud Filtering). | Radar (SRTM), SAR (ALOS PALSAR), hoặc nội suy từ đường đồng mức. |
3. Cấu trúc dữ liệu lưu trữ bề mặt địa hình trong GIS
Sau khi được xây dựng, các mô hình số bề mặt như DEM, DTM và DSM cần được lưu trữ dưới một cấu trúc dữ liệu phù hợp để phục vụ việc hiển thị, xử lý và phân tích trong các hệ thống GIS. Mặc dù dữ liệu ban đầu có thể được thu nhận dưới nhiều dạng khác nhau (chẳng hạn như đám mây điểm LiDAR hoặc ảnh quang trắc), nhưng trong các bài toán phân tích không gian, hai cấu trúc dữ liệu được sử dụng phổ biến nhất là Raster và TIN (Triangulated Irregular Network).
 |
| Nguồn: Ảnh minh họa do tác giả tạo bằng AI |
Dạng Raster (Ảnh ô lưới)
Raster là cấu trúc dữ liệu được sử dụng phổ biến nhất để lưu trữ DEM, DTM và DSM. Trong cấu trúc này, bề mặt địa hình được chia thành một lưới các ô vuông (pixel) có kích thước bằng nhau, gọi là độ phân giải không gian (Spatial Resolution), chẳng hạn 30 m, 10 m, 5 m hoặc nhỏ hơn. Mỗi ô lưới lưu trữ một giá trị số duy nhất đại diện cho cao độ của khu vực tương ứng.
Ưu điểm
- Cấu trúc ma trận giúp máy tính thực hiện các phép toán đại số raster (Map Algebra) với tốc độ rất cao.
- Phù hợp cho hầu hết các phép phân tích bề mặt địa hình như tính độ dốc (Slope), hướng dốc (Aspect), bản đồ đổ bóng (Hillshade), phân tích dòng chảy và xác định lưu vực.
- Được hầu hết các phần mềm GIS và viễn thám hỗ trợ.
Nhược điểm
- Dung lượng lưu trữ phụ thuộc vào độ phân giải. Độ phân giải càng cao thì kích thước tệp càng lớn.
- Ở những khu vực địa hình bằng phẳng, nhiều ô lưới có giá trị gần như giống nhau nhưng vẫn phải được lưu trữ đầy đủ, dẫn đến lãng phí tài nguyên.
Dạng TIN (Triangulated Irregular Network)
TIN là mô hình dữ liệu dạng vector dùng để biểu diễn bề mặt địa hình bằng một mạng lưới các tam giác không đều. Mạng lưới này được tạo thành từ các điểm khống chế có tọa độ (X, Y, Z), trong đó mỗi cạnh tam giác có thể được xây dựng dọc theo các đặc trưng địa hình quan trọng như đường gãy địa hình (breaklines), đỉnh dông hoặc đáy thung lũng nhằm mô phỏng bề mặt tự nhiên chính xác hơn.
Ưu điểm
- Biểu diễn tốt các khu vực có địa hình phức tạp hoặc thay đổi độ dốc đột ngột.
- Có khả năng bảo toàn các đặc trưng địa hình quan trọng như đỉnh núi, taluy hoặc bờ sông.
- Tiết kiệm dung lượng lưu trữ vì những vùng địa hình bằng phẳng chỉ cần một số lượng điểm nhỏ để tạo nên các tam giác có kích thước lớn.
Nhược điểm
- Cấu trúc dữ liệu và thuật toán xử lý phức tạp hơn Raster.
- Không thuận lợi cho các phép phân tích liên tục trên phạm vi lớn, đặc biệt là các bài toán thủy văn hoặc các phép toán đại số raster.
- Trong thực tế, TIN thường được chuyển đổi sang DEM dạng Raster trước khi thực hiện các phân tích bề mặt trong GIS.
Kết luận
Việc phân biệt DSM, DTM và DEM không chỉ mang ý nghĩa về mặt lý thuyết mà còn quyết định độ chính xác của kết quả phân tích trong GIS. Mỗi mô hình biểu diễn một loại bề mặt khác nhau, do đó việc lựa chọn sai dữ liệu đầu vào có thể dẫn đến kết quả không phản ánh đúng thực tế, chẳng hạn như sử dụng DSM thay cho DTM trong phân tích thủy văn.
Trong thực tế, DEM là dữ liệu được sử dụng phổ biến nhất cho các bài toán phân tích bề mặt địa hình nhờ dễ tiếp cận, dễ xử lý và được hầu hết các phần mềm GIS hỗ trợ. Tuy nhiên, việc lựa chọn giữa DEM, DTM hay DSM vẫn cần dựa trên mục tiêu của từng bài toán để đảm bảo kết quả phân tích có độ tin cậy cao.
Bài tiếp theo [Phân Tích Bề Mặt Địa Hình Trong GIS (2): Các Chỉ Số Địa Hình – Độ Dốc (Slope), Hướng Dốc (Aspect) và Hillshade]
0 Nhận xét