Nắn chỉnh bản đồ cổ (georeferencing) là gán toạ độ cho ảnh quét bằng cách chọn những điểm khống chế có thể nhận ra trên cả bản đồ cổ lẫn bản đồ hiện đại, chọn phép biến đổi phù hợp, kiểm sai số, rồi xuất ra ảnh có toạ độ để chồng lớp và vẽ lại đối tượng.
Bản đồ thời Pháp thuộc, họa đồ địa chính cũ, bản đồ trong các bộ địa chí là nguồn tư liệu quý cho sử học, đô thị học, môi trường. Nhưng ảnh quét chỉ là một bức tranh; phải nắn vào hệ toạ độ thì mới so được với hiện tại: con sông đã đổi dòng bao nhiêu, làng cũ nằm ở đâu trên bản đồ nay, đường phố mở rộng thế nào. QGIS có sẵn công cụ Georeferencer để làm việc này.
Chuẩn bị ảnh bản đồ
Quét hoặc chụp đủ tốt
Quét toàn bộ tờ bản đồ kèm lề, khung, lưới toạ độ, chú giải, thước tỉ lệ. Thông tin ở lề thường cho biết hệ toạ độ, phép chiếu, năm đo vẽ. Nếu phải chụp ghép nhiều phần, ghép trước rồi mới nắn, và ghi lại việc ghép trong siêu dữ liệu vì nó có thể tạo biến dạng.
Đọc bản đồ trước khi nắn
Tìm xem bản đồ có lưới kinh vĩ độ hay lưới toạ độ không, có ghi phép chiếu không, tỉ lệ bao nhiêu, năm nào. Bản đồ có lưới toạ độ in sẵn là trường hợp thuận lợi nhất: các giao điểm lưới là điểm khống chế chính xác. Bản đồ phác họa không có lưới thì phải dựa vào đối tượng địa lý, và độ chính xác thấp hơn nhiều.
Bản đồ nền hiện đại
Chuẩn bị lớp tham chiếu: ảnh vệ tinh, bản đồ nền mở, hoặc bản đồ địa hình hiện đại đã đúng hệ toạ độ. Lớp này dùng để lấy toạ độ cho điểm khống chế. Ghi rõ nguồn lớp tham chiếu trong tài liệu dự án.
Ảnh quét nên được lưu bản gốc riêng và chỉ nắn trên bản sao. Georeferencer tạo ra tệp mới, nhưng một số thao tác ghi thông tin toạ độ vào tệp phụ cạnh ảnh; giữ thư mục ảnh gốc ở chế độ chỉ đọc là cách đơn giản để tránh nhầm lẫn.
Đặc thù của bản đồ cổ về Việt Nam
Nhiều thế hệ bản đồ, nhiều hệ toạ độ
Bản đồ về Việt Nam do nhiều cơ quan vẽ qua nhiều thời kỳ, với hệ toạ độ, phép chiếu, đơn vị khác nhau, có bản không ghi rõ. Trước khi nắn, tìm tài liệu về loạt bản đồ đó: cơ quan vẽ, phép chiếu, cách chia mảnh. Các thư viện, cơ quan lưu trữ giữ bản đồ thường có bản mô tả loạt bản đồ.
Địa danh đổi tên, đổi chữ
Địa danh trên bản đồ cổ có thể ghi bằng chữ Hán, chữ Quốc ngữ không dấu, hoặc phiên theo tiếng Pháp. Lập bảng đối chiếu địa danh cũ và địa danh hiện nay, ghi căn cứ cho từng cặp. Bảng này vừa giúp chọn điểm khống chế, vừa là sản phẩm có giá trị cho người nghiên cứu sau.
Địa hình thay đổi
Đồng bằng ven sông, ven biển thay đổi nhanh: bãi bồi, cửa sông dịch chuyển, ao hồ bị lấp. Tránh lấy điểm khống chế trên những đối tượng này. Ngược lại, chính sự thay đổi đó thường là câu hỏi nghiên cứu, nên vẽ lại chúng cẩn thận sau khi nắn.
Chọn điểm khống chế
Điểm nào tốt
Điểm khống chế (GCP, ground control point) tốt là điểm còn tồn tại và xác định được chính xác trên cả hai bản đồ: giao điểm lưới toạ độ, ngã ba đường lâu đời, góc công trình kiên cố như thành, đình, chùa, cầu đá, điểm cao địa hình. Đường bờ sông, bờ biển thay đổi theo thời gian nên chỉ dùng khi không còn lựa chọn khác.
Bao nhiêu điểm và rải ở đâu
Mỗi phép biến đổi cần một số điểm tối thiểu, nhưng nên dùng nhiều hơn mức tối thiểu để tính được sai số. Rải điểm đều khắp tờ bản đồ, đặc biệt ở bốn góc và mép. Điểm dồn vào một vùng làm phần còn lại bị kéo méo.
Thao tác trong QGIS
Mở Georeferencer (trong các bản gần đây nằm ở menu Layer), mở ảnh bản đồ cổ. Bấm thêm điểm trên ảnh, rồi chọn lấy toạ độ từ khung bản đồ chính (From Map Canvas) và bấm vào vị trí tương ứng trên lớp tham chiếu. Lặp lại cho mọi điểm. Lưu danh sách điểm ra tệp .points để làm lại hoặc điều chỉnh sau.
Chọn phép biến đổi
Phép biến đổi quyết định ảnh được kéo, xoay, uốn ra sao. Phép càng mềm càng khớp điểm khống chế nhưng càng dễ làm méo phần giữa các điểm:
| Phép biến đổi | Ảnh bị thay đổi thế nào | Hợp khi | Lưu ý |
|---|---|---|---|
| Helmert | Dịch, xoay, phóng to thu nhỏ đều | Bản đồ chính xác, chỉ lệch vị trí và tỉ lệ | Không sửa được méo |
| Đa thức bậc 1 (affine) | Thêm co giãn khác nhau theo hai trục, nghiêng | Phần lớn bản đồ địa hình, địa chính có lưới | Lựa chọn khởi đầu an toàn |
| Đa thức bậc 2, 3 | Uốn cong ảnh | Bản đồ có méo đều do giấy co, phép chiếu khác | Cần nhiều điểm, dễ méo ở vùng thiếu điểm |
| Thin Plate Spline | Uốn cục bộ để khớp đúng mọi điểm | Bản đồ phác họa, méo không đều | Sai số tại điểm bằng không nên không đánh giá được độ khớp |
| Projective | Biến đổi phối cảnh | Ảnh chụp nghiêng bản đồ | Ít dùng nếu ảnh quét thẳng |
Bắt đầu bằng phép đơn giản nhất cho kết quả chấp nhận được. Nếu bản đồ có ghi phép chiếu và bạn khai báo đúng hệ toạ độ gốc của nó, một phép biến đổi bậc thấp thường đủ, vì phần lớn méo đến từ việc khác phép chiếu chứ không phải từ bản đồ.
Đọc sai số và xuất kết quả
Phần dư và RMSE
Với các phép có thể tính, QGIS hiển thị phần dư (residual) của từng điểm và sai số trung bình bình phương (RMSE). Điểm có phần dư lớn bất thường thường là điểm chọn sai hoặc đối tượng đã thay đổi; kiểm lại hoặc bỏ đi. Nhưng đừng xoá điểm chỉ để RMSE đẹp: một bản đồ cổ có độ chính xác thấp thì báo cáo con số thật.
Cài đặt xuất
Chọn hệ toạ độ đích, phương pháp nội suy điểm ảnh (nearest neighbour giữ nguyên màu điểm ảnh, hợp với bản đồ nét), tệp đầu ra dạng GeoTIFF. Đánh dấu tuỳ chọn lưu ảnh nén nếu ảnh lớn. Ghi lại phép biến đổi, số điểm, RMSE vào tài liệu dự án.
Kiểm bằng mắt
Mở GeoTIFF chồng lên lớp tham chiếu, chỉnh độ trong suốt, rà khắp bản đồ. Những vùng xa điểm khống chế là nơi dễ lệch nhất. Nếu lệch lớn, thêm điểm ở vùng đó và nắn lại.
Vẽ lại đối tượng cho nghiên cứu lịch sử
Tạo lớp vector mới
Tạo lớp GeoPackage mới cho từng loại đối tượng: điểm cho làng, đình, chợ; đường cho sông, đường; vùng cho ruộng, hồ, khu dân cư. Vẽ bằng công cụ chỉnh sửa, lấy bản đồ cổ đã nắn làm nền.
Bảng thuộc tính có nguồn
Mỗi đối tượng cần trường tên trên bản đồ cổ (chép nguyên cách viết), tên hiện nay nếu xác định được, nguồn (bản đồ nào, tờ nào), mức độ chắc chắn. Mức độ chắc chắn đặc biệt quan trọng: một làng xác định chắc chắn khác với làng chỉ ước đoán vị trí.
Tình huống thường gặp
Một nhóm nghiên cứu đô thị nắn ba tờ bản đồ của cùng một khu phố ở ba thời điểm, vẽ lại mạng lưới đường và mặt nước, rồi đo diện tích ao hồ bị lấp qua từng giai đoạn. Kết quả có giá trị vì mỗi lớp ghi rõ nguồn, phép biến đổi và sai số, người phản biện kiểm lại được.
Khi công bố lớp vector vẽ lại, kèm GeoTIFF đã nắn hoặc ít nhất tệp điểm khống chế, để người khác có thể nắn lại bằng phép biến đổi khác nếu họ có thêm điểm tốt hơn. Dữ liệu lịch sử thường được nhiều nhóm dùng lại và cải thiện dần qua thời gian.
Câu hỏi thường gặp
Nắn chỉnh bản đồ cổ cần bao nhiêu điểm khống chế?
Phép biến đổi càng phức tạp càng cần nhiều điểm. Nên dùng nhiều hơn số tối thiểu để tính được sai số, và rải đều khắp tờ bản đồ, đặc biệt ở các góc.
Nên chọn phép biến đổi nào cho bản đồ cổ?
Bắt đầu với Helmert hoặc đa thức bậc 1. Chỉ dùng bậc cao hơn hoặc Thin Plate Spline khi bản đồ méo rõ và có đủ điểm khống chế. Ghi lại phép đã chọn và lý do.
RMSE bao nhiêu là chấp nhận được?
Không có ngưỡng chung. Nó tuỳ tỉ lệ bản đồ, mục đích nghiên cứu và chất lượng bản đồ gốc. Hãy báo cáo con số thật và đánh giá xem sai số đó có ảnh hưởng tới kết luận không.
Có công cụ nắn chỉnh bản đồ trên trình duyệt không?
Có một số công cụ trực tuyến như Map Warper hoặc Allmaps cho phép nắn chỉnh ảnh bản đồ, trong đó Allmaps làm việc với ảnh chia sẻ qua IIIF. Với nghiên cứu cần kiểm soát chi tiết, QGIS vẫn là lựa chọn phổ biến.
Có nên xoá điểm có phần dư lớn không?
Chỉ xoá khi điểm đó chọn sai hoặc đối tượng đã thay đổi vị trí. Xoá điểm chỉ để giảm sai số sẽ che đi độ chính xác thật của bản đồ.
Bản đồ cổ đã nắn có công bố được không?
Tuỳ quyền của nơi giữ bản đồ gốc. Kiểm điều kiện sử dụng ảnh, ghi nguồn đầy đủ, và khi công bố bản đồ có lãnh thổ Việt Nam phải thể hiện đầy đủ chủ quyền, gồm quần đảo Hoàng Sa và Trường Sa.
