LUẬN VĂN: ỨNG DỤNG GIS TRONG QUẢN LÝ QUY HOẠCH XÂY DỰNG

Chia sẻ: Sunflower Sunflower_1 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:62

Thêm vào BST

Báo xấu

952
lượt xem 235
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Vì GIS được thiết kế như một hệ thống chung để quản lý dữ liệu không gian, nó có rất nhiều ứng dụng trong việc phát triển đô thị và môi trường tự nhiên như là: quy hoạch đô thị, quản lý nhân lực, nông nghiệp, điều hành hệ thống công ích, lộ trình, nhân khẩu, bản đồ, giám sát vùng biển, cứu hoả và bệnh tật. Trong phần lớn các lĩnh vực này, GIS đóng vai trò như là một công cụ hỗ trợ quyết định cho việc lập kế hoạch hoạt động....

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: LUẬN VĂN: ỨNG DỤNG GIS TRONG QUẢN LÝ QUY HOẠCH XÂY DỰNG

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN VĂN TUẤN ỨNG DỤNG GIS TRONG QUẢN LÝ QUY HOẠCH XÂY DỰNG LUẬN VĂN THẠC SỸ Hà Nội – 2011 1
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết quả đạt được trong luận văn là sản phẩm của riêng cá nhân tôi. Những điều được trình bày trong toàn bộ nội dung của luận văn, hoặc là của cá nhân hoặc là được tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có xuất xứ rõ ràng và được trích dẫn hợp pháp. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm theo quy định cho lời cam đoan của mình. Hà Nội, ngày 11 tháng 5 năm 2011 Người cam đoan Nguyễn Văn Tuấn 2
LỜI CẢM ƠN Trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn tốt nghiệp, tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ, động viên từ thầy cô, gia đình và bạn bè. Tôi muốn bày tỏ sự cảm ơn sâu sắc của mình tới tất cả mọi người. Tôi xin bày tỏ sự cám ơn đặc biệt tới TS Nguyễn Ngọc Hóa, người đã định hướng cho tôi trong lựa chọn đề tài, đưa ra những nhận xét quý giá và trực tiếp hướng dẫn tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn tốt nghiệp. Tôi xin cảm ơn các thầy cô trong khoa CNTT - Trường Đại học Công nghệ - ĐHQG Hà Nội đã dạy bảo tận tình cho tôi trong suốt khoảng thời gian học tập tại trường. Tôi xin cảm ơn toàn thể bạn bè đồng nghiệp tại Trung tâm Cơ sở dữ liệu và Hệ thống thông tin – Trung tâm Viễn thám Quốc gia, đơn vị mà tôi đang công tác, đã chia sẻ, giúp đỡ tạo điều kiện cho tôi tham gia khoá học và hoàn thành khoá luận này. Xin cảm ơn tất cả những bạn bè đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và công tác. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất tới gia đình của mình, nguồn động viên và cổ vũ lớn lao và là động lực giúp tôi thành công trong công việc và trong cuộc sống. Hà Nội, ngày 11 tháng 5 năm 2011 Nguyễn Văn Tuấn 3
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................. 1 LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................................... 3 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................................... 6 DANH MỤC HÌNH.............................................................................................................. 7 MỞ ĐẦU .............................................................................................................................. 8 Chương 1. Tổng quan về GIS và GIS 3D .......................................................................... 10 1.1 Khái niệm cơ bản về hệ thống thông tin địa lý ................................ ................................ ....10 1.2 Các thành phần của GIS ................................ ................................ ................................ .....11 1.3 Các chức năng của GIS ................................ ................................ ................................ ......11 1.4 GIS 3D ................................ ................................ ................................ .............................. 14 1.4.1 Một số khái niệm cơ bản ................................ ................................ ................................ 15 1.4.1.1 Mô hình độ cao số................................ ................................ ................................ ..........15 1.4.1.2 Mô hình địa hình số ................................ ................................ ................................ .......15 1.4.1.3 Mô hình bề mặt số ................................ ................................ ................................ .........15 1.4.2 Lưu trữ dữ liệu 3D ................................ ................................ ................................ .........15 1.4.3 Khái niệm về cấp độ chi tiết ................................ ................................ ........................... 17 1.4.4 Biểu diễn đối tượng 3D ................................ ................................ ................................ ..18 1.4.4.1 Điểm ................................ ................................ ................................ ............................. 18 1.4.4.2 Đường thẳng ................................ ................................ ................................ ..................18 1.4.4.3 Mặt phẳng................................ ................................ ................................ ...................... 19 1.4.4.4 Đường cong ................................ ................................ ................................ ...................20 1.4.4.5 Hình khối................................ ................................ ................................ ....................... 23 1.5 Một số ứng dụng của mô hình địa hình số 3D ................................ ................................ ....24 1.5.1 Các ứng dụng trong việc giám sát và phát hiện tài nguyên ................................ ..............24 1.5.2 Các ứng dụng trong xây dựng cơ sở hạ tầng và viễn thông ................................ .............24 1.5.3 Các ứng dụng trong lĩnh vực quốc phòng ................................ ................................ .......25 1.6 Tình hình ứng dụng GIS ở Việt Nam ................................ ................................ .................25 1.7 Kết luận ................................ ................................ ................................ ............................. 27 Chương 2. Công tác quản lý quy hoạch xây dựng đô thị và ứng dụng của GIS .............. 28 2.1 Thực trạng công tác quản lý quy hoạch xây dựng và quản lý đô thị ................................ ....28 2.1.1 Sơ đồ trình tự lập đồ án quy hoạch ................................ ................................ .................30 2.1.2 Một số nhân tố tác động đến công tác lập đồ án quy hoạch ................................ .............30 2.1.3 Các khó khăn trong công tác quản lý quy hoạch xây dựng và đô thị hiện nay..................31 2.2 Ứng dụng GIS trong quản lý quy hoạch xây dựng và đô thị ................................ ................32 2.2.1 Quản lý nhà nước ................................ ................................ ................................ ...........33 2.2.2 Xây dựng cơ sở dữ liệu nền và chuyên ngành ................................ ................................ .34 2.2.3 Tạo, lập các báo cáo................................ ................................ ................................ .......34 2.2.4 Cải thiện chất lượng và số lượng thông tin địa lý ................................ ............................ 35 4
2.3 Sự cần thiết của GIS 3D trong quy hoạch quản lý đô thị ................................ .....................36 2.4 Kết luận ................................ ................................ ................................ ............................. 37 Chương 3. Phát triển thử nghiệm hệ thống và đánh giá kết quả thu được...................... 38 3.1 Yêu cầu đặt ra................................ ................................ ................................ ....................38 3.2 Thiết kế hệ thống ................................ ................................ ................................ ...............40 3.2.1 Kiến trúc tổng thể của hệ thống ................................ ................................ ...................... 40 3.2.2 Mô hình phân cấp chức năng của phân hệ GIS 3D................................ .......................... 41 3.2.3 Sơ đồ luồng dữ liệu ................................ ................................ ................................ ........42 3.3 Xây dựng mô hình 3D từ dữ liệu 2D ................................ ................................ ..................43 3.3.1 Phép nội suy ................................ ................................ ................................ ..................43 3.3.2 Xây dựng bề mặt địa hình 3D................................ ................................ ......................... 44 3.4 Các kết quả đạt được ................................ ................................ ................................ .........47 3.4.1 Xây dựng mô hình địa hình số................................ ................................ ........................ 47 3.4.2 Xây dựng bản đồ hiện trạng địa hình 3D và các thuộc tính từ 2D................................ ....48 3.4.3 Xây dựng mô hình 3D hoá các bản vẽ AutoCAD ................................ ........................... 51 3.4.4 Quản lý kiểm soát không gian ................................ ................................ ........................ 51 3.4.5 Quy hoạch kiến trúc cảnh quan ................................ ................................ ...................... 57 3.4.6 Phân vùng không gian ................................ ................................ ................................ ....58 3.5 Kết luận ................................ ................................ ................................ ............................. 59 Chương 4. Kết luận và hướng phát triển .......................................................................... 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 62 5
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Geographical Information System Hệ thống thông tin địa lý GIS Two Dimension Hai chiều 2D Three Dimension Ba chiều 3D Cơ sở dữ liệu CSDL Database Management System Hệ quản trị Cơ sở dữ liệu DBMS Digital Elevation Model Mô hình độ cao số DEM Digital Terrain Model Mô hình địa hình số DTM Digital Surface Model Mô hình bề mặt số DSM Environmental Systems Research Viện nghiên cứu các hệ thống về ESRI Institute môi trường Ủy ban nhân dân UBND 6
DANH MỤC HÌNH Hình 1. Các thành phần cơ bản của GIS .......................................................................... 11 Hình 2. Cấp độ chi tiết LoD đối với các đố i tượng nhà, khối nhà ..................................... 18 Hình 3. Dạng tham số của phương trình đường thẳng ...................................................... 18 Hình 4. Vật thể ba chiều được biểu diễn bằng mô hình khung nố i kết .............................. 23 Hình 5. Phân tích đa tiêu chí (khu vực nhiều tiếng ồn, vùng ngập lụt).............................. 26 Hình 6. Sử dụng GIS đánh giá mức độ tiếng ồn và dự báo ô nhiễm nguồn nước .............. 26 Hình 7. Trình tự lập đồ án quy hoạch .............................................................................. 30 Hình 8. Kiến trúc tổng thể của hệ thống Quản lý quy hoạch xây dựng ............................. 41 Hình 9. Mô hình phân cấp chức năng của phân hệ GIS 3D .............................................. 42 Hình 10. Luồng dữ liệu của phân hệ GIS 3D.................................................................. 42 Hình 11. Quy trình tạo dữ liệu 3D từ dữ liệu 2D ............................................................ 44 Hình 12. Bản đồ đường đồng mức thị xã Đồ Sơn ........................................................... 47 Hình 13. Bản đồ bề mặt địa hình 3D .............................................................................. 48 Hình 14. Chồng xếp các lớp đường đồng mức, bản đồ bề mặt và lớp điểm..................... 48 Hình 15. Tạo mô hình 3D từ dữ liệu 2D và thuộc tính .................................................... 49 Hình 16. Mô hình 3D thể hiện màu sắc theo thuộc tính .................................................. 51 Hình 17. Chuyển đổ i từ dạng dữ liệu và mặt bằng sang 3D ............................................ 51 Hình 18. Hình ảnh đánh dấu tầng cao công trình trên mặt bằng (nếu cần chi tiết) ........... 52 Hình 19. Hình ảnh đánh dấu tầng cao trung bình của lô đất (không cần chi tiết) ............. 52 Hình 20. Thống kê công trình và lô đất toàn bộ bản vẽ................................................... 53 Hình 21. Thống kê công trình trên 1 loại đất. ................................................................. 53 Hình 22. Thống kê mật độ xây dựng theo khu vực. ........................................................ 54 Hình 23. Thống kê về hạ tầng kỹ thuật. .......................................................................... 54 Hình 24. Thống kê để tìm các đối tượng vi phạm vùng cấm. .......................................... 55 Hình 25. Kiểm tra vi phạm chiều cao bằng phương pháp 3D (H>=50m) ........................ 55 Hình 26. Kiểm tra nhiều điều kiện bằng phương pháp thống kê và đánh dấu. ................. 56 Hình 27. Kiểm tra trường nhìn của người khi tham gia giao thông, với 1 góc nhìn thông thường T=30,D=45,N=120 bằng phương pháp hình nón quan sát. .............................. 56 Hình 28. Mô hình khu đô thị 13-5 và tuyến đường thiết kế ............................................ 57 Hình 29. Không gian trống, cây xanh ............................................................................. 58 Hình 30. Các khu thấp tầng ............................................................................................ 58 7
MỞ ĐẦU Hiện nay, hiện trạng đô thị luôn biến động trong khi nhu cầu của các cấp lãnh đạo cũng như của người dân về một về một thành phố ngày càng văn minh hiện đại và trật tự đã đặt ra cho các cơ quan quản lý những trách nhiệm nặng nề. Đặc biệt là trong việc quản lý cơ sở hạ tầng như: quản lý đất đai, giao thông đô thị, quy hoạch kiến trúc... đang có những đòi hỏi cấp bách về việc nâng cao năng lực quản lý. Nhiệm vụ này chỉ có thể được hoàn thành tốt nếu có các công cụ quản lý tiên tiến và phù hợp, được xây dựng trên nền tảng CSDL không gian với độ chính xác cao, có tính đồng bộ, đảm bảo mức độ chi tiết và tính cập nhật. Hiện tại Sở Quy hoạch Kiến trúc thường chỉ sử dụng các bản đồ hiện trạng, bản đồ quy hoạch dưới dạng bản đồ phẳng hai chiều phục vụ cho các công việc chuyên môn của Sở. Các đối tượng được biểu diễn trên các bản đồ hai chiều không trực quan và đòi hỏi người sử dụng phải có kiến thức chuyên môn về bản đồ, ngoài ra khả năng biểu diễn về kiến trúc và mối quan hệ tương quan giữa các đối tượng bị hạn chế rất nhiều. GIS 3D là một công nghệ mới ở Việt Nam nhưng đã được các nước tiên tiến ứng dụng rộng rãi từ vài chục năm gần đây. Công nghệ này tạo ra các sản phẩm số với độ chính xác cao, khả năng linh động lớn và chia sẻ thông tin dễ dàng. Chính các đặc điểm này làm cho công nghệ GIS 3D trở thành công nghệ rất hiệu quả và được ứng dụng rộng rãi. Trong lĩnh vực quản lý và quy hoạch đô thị, GIS 3D có rất nhiều ứng dụng mà điển hình là: xây dựng mô hình địa hình số (DTM), xây dựng mô hình bề mặt số (DSM), theo dõi quản lý cơ sở hạ tầng đô thị như: đường giao thông, đường điện, thoát nước; quản lý và quy hoạch xây dựng đô thị; quản lý và quy hoạch sử dụng đất đô thị; quản lý và quy hoạch kiến trúc đô thị. Nhìn chung, các ứng dụng của công nghệ này rất đa dạng và mang lại hiệu quả cao. Công nghệ này cũng mở ra khả năng xây dựng mô hình cảnh quan kiến trúc ba chiều của thành phố một cách nhanh chóng và chính xác. Thực tế cho thấy hầu hết các ứng dụng trong quản lý và quy hoạch đô thị đều sử dụng mô hình địa hình số (DTM) và mô hình số mặt đất (DSM) như một 8
đầu vào cơ bản. Trong khi đó, dữ liệu đầu vào để giải các toán này lại có một số hạn chế như đã trình bày ở trên. Hiện trạng này làm cho các đơn vị được giao nhiệm vụ gặp rất nhiều khó khăn trong quá trình thực thi: nếu thụ động chờ đến khi nguồn dữ liệu đầu vào được xây dựng như mong muốn thì sẽ không hoàn thành đúng thời hạn. Nếu tự nâng cấp dữ liệu thì gặp khó khăn rất lớn về kinh phí và nguồn lực, nếu chỉ sử dụng dữ liệu hiện có thì kết quả sẽ có nhiều hạn chế. Việc ứng dụng phần mềm quản lý qui hoạch sẽ cho phép cập nhật kịp thời thông tin qui hoạch xây dựng, bổ sung vào nguồn dữ liệu hiện trạng phục vụ kịp thời cho công tác cấp phép thẩm định qui hoạch. Sử dụng công nghệ GIS 3D cho phép hiển thị trực quan cảnh quan kiến trúc đô thị phục vụ công tác quản lý qui hoạch theo chiều cao. Nhanh chóng bổ sung vào nguồn dữ liệu 2D hiện có của bản đồ địa hình và qui hoạch. Trên cơ sở này tôi chọn đề tài: “Ứng dụng GIS trong quản lý quy hoạch xây dựng” nhằm nghiên cứu và đẩy mạnh ứng dụng GIS trong công tác quản lý và quy hoạch xây dựng đô thị. Những kết quả chính của luận văn đã được tổng hợp, trình bày trong các chương chính sau: Chương 1 trình bày tổng quan về hệ thống thông tin địa lý và mô hình GIS 3D: khái niệm chung, chức năng cũng như cấu trúc của một hệ thống thông tin địa lý, các khái niệm cơ bản về GIS 3D và ứng dụng của hệ thống thông tin địa lý GIS. Chương 2 trình bày sự cần thiết và khả năng ứng dụng GIS trong quản lý quy hoạch xây dựng ở Việt Nam: đưa ra các khái niệm, thực trạng và ứng dụng của hệ thống thông tin trong lĩnh vực quản lý xây dựng. Các quy trình, nội dung và các yếu tố ảnh hưởng đến quy hoạch xây dựng đô thị. Chương 3 trình bày giải pháp công nghệ, phát triển thử nghiệm hệ thống quản lý quy hoạch xây dựng ứng dụng công nghệ GIS 3D và nêu rõ những kết quả đạt được. Chương 4 trình bày kết luận và hướng phát triển của đề tài. Sau đây là chi tiết nội dung của từng chương. 9
Chương 1. Tổng quan về GIS và GIS 3D Hệ thống thông tin địa lý (Geographic Information System – GIS) là một hệ thống thông tin trên máy tính được sử dụng để số hóa các đối tượng địa lý thực cũng như các sự kiện liên quan (các thuộc tính phi không gian liên kết với không gian địa lý) tạo thành dữ liệu địa lý, từ đó cung cấp các công cụ cho phép phân tích, đánh giá và khai thác các dữ liệu địa lý đó. "Mọi đối tượng có mặt trên trái đất đều có thể biểu diễn trong hệ thống thông tin địa lý", đây là chìa khóa căn bản liên kết bất kỳ cơ sở dữ liệu nào với hệ thống GIS. Bắt đầu xuất hiện vào cuối những năm 1950, nhưng phần mềm GIS đầu tiên chỉ xuất hiện vào cuối những năm 1970 từ phòng thí nghiệm của Viện nghiên cứu môi trường Mỹ (ESRI). Lịch sử phát triển của GIS đã thay đổi cách mà các nhà quy hoạch, kỹ sư, nhà quản lý… làm việc với cơ sở dữ liệu và phân tích dữ liệu. 1. 1 Khái niệm cơ bản về hệ thống thông tin địa lý Có nhiều quan niệm khác nhau khi định nghĩa hệ thống thông tin địa lý: "Hệ thông tin địa lý là một hệ thống thông tin bao gồm một số hệ con (subsystem) có khả năng biến đổi các dữ liệu địa lý thành những thông tin có ích" – theo định nghĩa của Calkin và Tomlinson, 1977. "Hệ thông tin địa lý là một hệ thống quản trị cơ sở dữ liệu bằng máy tính để thu thập, lưu trữ, phân tích và hiển thị không gian" (theo định nghĩa của National Center for Geographic Information and Analysis, 1988). Theo định nghĩa của ESRI (Environmental System Research Institute) thì “Hệ thông tin địa lý là một tập hợp có tổ chức bao gồm phần cứng, phần mềm máy tính, dữ liệu địa lý và con người, được thiết kế nhằm mục đích nắm bắt, l ưu trữ, cập nhật, điều khiển, phân tích và kết xuất”. Cho đến nay, định nghĩa được nhiều người sử dụng nhất là: hệ thống thông tin địa lý là một hệ thống kết hợp giữa con người và hệ thống máy tính cùng các 10
thiết bị ngoại vi để lưu trữ, xử lý, phân tích, hiển thị các thông tin địa lý để phục vụ một mục đích nghiên cứu nhất định. 1. 2 Các thành phần của GIS Một hệ thống GIS gồm có 5 thành phần cơ bản sau: 1. Phần cứng. 2. Phần mềm. 3. Con người. 4. Dữ liệu. 5. Các quy trình. Hình 1. Các thành phần cơ bản của GIS 1.3 Các chức năng của GIS Bất kỳ một hệ thống thông tin địa lý nào cũng phải có sáu chức năng cơ bản để giải quyết hiệu quả các vấn đề trong thế giới thực. Sáu chức năng đó là: Thu thập dữ liệu.  Lưu trữ dữ liệu.  Truy vấn dữ liệu.  Phân tích dữ liệu.  Hiển thị dữ liệu.  Xuất dữ liệu.  11
Thu thập dữ liệu Dữ liệu mô tả các đối tượng địa lý được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu địa lý. Cơ sở dữ liệu địa lý là một thành phần có chi phí xây dựng cao và tồn trong một thời gian dài cùng với hệ thống, vì vậy việc thu thập dữ liệu là một vấn đề hết sức quan trọng. Làm thế nào để lấy dữ liệu chỉ tồn tại trên dạng giấy vào cơ sở dữ liệu? Dữ liệu này ở dạng số nhưng không thể sử dụng được, vậy nó ở định dạng nào? Một hệ thống thông tin địa lý phải cung cấp các phương pháp để nhập dữ liệu địa lý (tọa độ) và dữ liệu dạng bảng (thuộc tính). Hệ thống càng có nhiều phương pháp nhập dữ liệu thì càng mềm dẻo và linh động. Lưu trữ dữ liệu Có hai mô hình cơ bản được sử dụng để lưu trữ dữ liệu địa lý: vector và raster. Một hệ thống thông tin địa lý cần phải có khả năng lưu trữ cả hai định dạng dữ liệu này. Trong mô hình dữ liệu vector, đối tượng địa lý được biểu diễn tương tự như cách chúng biểu diễn trên bản đồ (bằng các đối tượng điểm, đường và vùng). Một hệ thống tọa độ x,y được sử dụng để xác định vị trí của các đối tượng này trong thế giới thực. Mô hình dữ liệu raster biểu diễn các đối tượng bằng cách sử dụng một lưới bao gồm nhiều ô. Các giá trị của các ô sẽ mô tả vị trí của các đối tượng. Mức độ chi tiết của đối tượng phụ thuộc vào kích thước của các ô trong lưới. Định dạng dữ liệu raster rất phù hợp cho các bài toán phân tích không gian cũng như việc lưu các dữ liệu dạng ảnh. Dữ liệu dạng raster không thích hợp cho các ứng dụng như quản lý thửa đất vì ranh giới của các đối tượng cần phải được phân biệt rõ ràng. Truy vấn dữ liệu Một hệ thống GIS phải có các công cụ để tìm ra các đối tượng cụ thể dựa trên vị trí địa lý hoặc thuộc tính của nó. Các truy vấn, thường được tạo ra bởi các câu lệnh hoặc biểu thức logic, sẽ được sử dụng để chọn ra các đối tượng trên bản đồ và các bản ghi của chúng trong cơ sở dữ liệu. 12
Một truy vấn của một hệ thống GIS thông thường sẽ trả lời câu hỏi: Cái gì? Ở đâu? Trong kiểu truy vấn này, người sử dụng biết đối tượng nằm ở vị trí nào, và muốn biết các thuộc tính của nó. Điều này có thể được thực hiện trong hệ thống GIS bởi vì đối tượng địa lý được thể hiện trên bản đồ sẽ có liên kết với thông tin thuộc tính của nó lưu trong cơ sở dữ liệu. Một kiểu truy vấn khác của là tìm các vị trí thỏa mãn một số tính chất nào đó. Trong trường hợp này, người sử dụng biết rõ các tính chất quan trọng và muốn tìm xem những đối tượng nào có thuộc tính đó. Phân tích dữ liệu Phân tích địa lý thường liên quan đến nhiều tập dữ liệu khác nhau và yêu cầu một quá trình nhiều bước để cho ra kết quả cuối cùng. Một hệ thống GIS phải có khả năng phân tích mối quan hệ không gian giữa các tập dữ liệu để trả lời câu hỏi và giải quyết vấn đề mà người sử dụng đặt ra. Ba phương pháp phân tích thông tin địa lý phổ biến là: Phân tích gần kề xấp xỉ: Sử dụng thuật toán buffering để xác định mối • quan hệ gần kề giữ các đối tượng. • Phân tích chồng xếp: Kết hợp các đối tượng của hai lớp dữ liệu để tạo ra một lớp mới, lớp kết quả này sẽ chứa đựng các thuộc tính có trong cả hai lớp gốc. Lớp kết quả có thể được phân tích để tìm ra những đối tượng chồng phủ, hoặc để tìm ra mức độ một đối tượng nằm trong một vùng hoặc nhiều vùng nào đó là bao nhiêu. • Phân tích mạng lưới: Để giải quyết các bài toán như mạng lưới giao thông, mạng lưới thủy văn... Hiển thị dữ liệu Hệ thống GIS cũng cần phải có các công cụ để hiển thị các đối tượng địa lý sử dụng nhiều ký hiệu khác nhau. Đối với nhiều loại phép toán phân tích, kết quả cuối cùng chính là bản đồ, đồ thị hoặc các báo cáo. 13
Xuất dữ liệu Hiển thị kết quả là một yêu cầu bắt buộc của hệ thống GIS. Việc hiển thị được thực hiện bằng nhiều cách khác nhau. Càng nhiều dạng đầu ra mà GIS có thể đưa ra thì khả năng tiếp cận thông tin và đối tượng chính xác càng cao. 1. 4 GIS 3D Trong những năm gần đây, với sự phát triển vượt bậc của các công nghệ mới, các dữ liệu không gian có thể được hiển thị lập thể rất trực quan đáp ứng nhu cầu ngày càng đa dạng của người sử dụng. Ngành bản đồ từ khi thành lập và phát triển đến nay chỉ hạn chế ở việc xây dựng các cách hiển thị trực quan các dữ liệu không gian trong môi trường hai chiều. Một câu hỏi quan trọng được đặt ra là liệu ngành bản đồ có thể khai thác lợi thế của các công nghệ mới này không và khai thác như thế nào? Một mô hình địa hình 3D tương tác sẽ có rất nhiều ưu điểm. Nó có thể cung cấp cho người dùng khả năng chủ động chọn vị trí quan sát trong bản đồ, cho phép nhận biết và tìm hiểu các dữ liệu không gian cũng như các thông tin thuộc tính liên quan đến các đối tượng địa hình chính xác hơn. Chắc chắn việc áp dụng các công nghệ mới phục vụ cho ngành bản đồ sẽ hoàn thiện chất lượng của các sản phẩm bản đồ và mở ra các lĩnh vực ứng dụng mới Mặt khác, việc ứng dụng rộng rãi công nghệ mới trong thành lập bản đồ đã được thực hiện ở nhiều nước trên thế giới. Ngành bản đồ các nước đang hướng đến hai loại bản đồ tiên tiến là bản đồ 3D và bản đồ động. Mô hình địa hình 3D với các nhóm nội dung, độ chi tiết khác nhau phục vụ cho các mục đích du lịch, quy hoạch và dự báo trong tương lai cũng đã trở thành thương phẩm thường gặp tại nhiều nước phát triển. Mô hình dữ liệu, phương pháp thành lập, khuôn dạng số liệu cũng rất đa dạng phụ thuộc vào các công nghệ sẵn có trong từng trường hợp. Ở Việt Nam, các ngành khoa học tuỳ theo yêu cầu riêng biệt và điều kiện vật chất kỹ thuật của mình cũng đã có một số sản phẩm đồ họa có các yếu tố địa hình 3D trong đó như: sơ đồ tuyến, mặt cắt trong các ngành giao thông, thuỷ lợi; 14
DEM được tạo trong quá trình xử lý ảnh máy bay; bản đồ tác chiến trong quân sự; mô hình cảnh quan trong giáo dục hay du lịch. Các số liệu này được thành lập cho một số khu vực nhưng còn thiếu tính hệ thống và mang đặc trưng riêng của từng ngành. 1. 4. 1 Một số khái niệm cơ bản 1. 4. 1. 1 Mô hình độ cao số Mô hình độ cao số ((Digital Elevation Model - DEM) là mô hình số miêu tả bề mặt mặt đất nhưng không bao gồm các đối tượng vật thể trên đó được xây dựng dựa trên các điểm độ cao và các đường bình độ. DEM là một nội dung chính của Mô hình địa hình 3D nên một trong những ứng dụng chính của mô hình địa hình 3D là các ứng dụng từ DEM. 1. 4. 1. 2 Mô hình địa hình số Cũng giống như DEM, mô hình địa hình số (Digital Terrain Model – DTM) là mô hình số miêu tả bề mặt mặt đất không bao gồm các đối tượng vật thể trên đó nhưng được xây dựng dựa trên các điểm độ cao, các đường bình độ và các đối tượng nằm trên bề mặt như sông suối, ao hồ… Do vậy độ chính xác của DTM cao hơn DEM, DTM là cơ sở để đo vẽ địa hình trên trạm ảnh số. 1. 4. 1. 3 Mô hình bề mặt số Mô hình bề mặt số (Digital Surrface Model - DSM) là một mô hình độ cao số miêu tả bề mặt mặt đất và bao gồm cả các đối tượng vật thể trên đó như nhà cửa, cây, đường giao thông... Mô hình bề mặt số có ý nghĩa rất quan trọng trong việc tạo ảnh trực giao đối với ảnh vệ tinh, ảnh máy bay chụp màu có độ phân giải cao. 1. 4. 2 Lưu trữ dữ liệu 3D Nguồn dữ liệu để tạo DTM DTM được tạo từ 1 trong 3 nguồn dữ liệu sau: 15
Đường đồng mức mô tả địa bề mặt Đường đồng mức mô tả địa bề mặt là nguồn dữ liệu sẵn có và phổ biến nhất cho việc lập DTM. Bởi đây là cách duy nhất để mô tả địa bề mặt theo cách làm truyền thống (hiện nay vẫn còn được sử dụng rộng rãi). Nguồn dữ liệu này được lưu giữ ở dạng bản đồ giấy nên để có thể dùng để tạo DTM nó cần phải được số hoá hiệu chỉnh và biến đổi thành dạng dữ liệu 3D. Dữ liệu ảnh (bao gồm ảnh máy bay và ảnh vệ tinh) Dữ liệu ảnh có được từ ảnh chụp máy bay hay ảnh chụp vệ tinh và được sử dụng để tạo ra dữ liệu địa hình chính xác có độ phân giải cao. Ngoài ra, nguồn dữ liệu cho DTM kiểu này còn có thể có được từ việc đo đạc bằng radar, laser. Dữ liệu đo đạc (trắc đạc) Dữ liệu có được từ việc đo đạc là loại dữ liệu chính xác nhất có thể có được, bởi các điểm đo được thiết kế sao cho có để mô tả đúng hình dáng của địa hình của bề mặt và trong thực tế nó bao gồm rất nhiều điểm đo. Chất lượng của loại dữ liệu này rất cao, tuy nhiên đòi hỏi chi phí lớn về thời gian cho công tác đo đạc ngoài thực địa. Do vậy phương pháp này chỉ thực sự hiệu quả đối với những dự án, những nghiên cứu trong phạm vi có diện tích nhỏ. Khi đã có dữ liệu về địa hình bề mặt cần phải chọn cách thích hợp để mô hình hoá địa bề mặt. Có hai cách tiếp cận để mô hình hoá địa bề mặt từ dữ liệu: Lập DTM bằng phương pháp toán học: Trong trường hợp này DTM được tạo ra bởi một hay nhiều hàm toán học tương thích với tập dữ liệu đã có của địa bề mặt. Cách làm này là không phù hợp với các đối tượng địa môi trường, bởi như đã trình bày, các đối tượng địa môi trường là các đối tượng của tự nhiên nên nó có hình dạng bất kỳ. Lập DTM trực tiếp từ dữ liệu đã có của địa bề mặt: Cách này là phù hợp cho việc mô hình hoá các đối tượng địa môi trường vì nó tạo ra DTM mô tả đối tượng một cách trung thực với lượng thông tin (dữ liệu) đã biết về đối tượng. Mức độ chính xác của việc mô tả đối tượng bằng DTM lúc này phụ thuộc chủ yếu vào mức độ chính xác và mức độ đầy đủ của dữ liệu về đối tượng. 16
Vì các lý do như địa hình phức tạp, hiểm trở hoặc do đối tượng nằm dưới lòng đất, hoặc vì lý do kinh tế không thể đủ chi phí, việc lấy mẫu, đo đạc không thể thực hiện một cách liên tục, do vậy nguồn dữ liệu cho DTM dù ở dạng nào thì cũng là tập dữ liệu rời rạc. Các đối tượng của địa môi trường mặc dù là có hình dạng bất kỳ nhưng đều có tính liên tục. Nếu như lập DTM bằng phương pháp toán học thì chính các hàm toán học là công cụ liên kết các điểm dữ liệu rời rạc để mô tả đối tượng. Cũng tương tự như vậy, lập DTM trực tiếp từ dữ liệu cũng cần phải có mô hình thích hợp để liên kết các điểm dữ liệu rời rạc để mô tả đối tượng. Có 2 mô hình thích hợp cho việc tạo DTM trực tiếp từ dữ liệu: Đó là mô hình lưới (Rectangular grid) và mô hình mạng tam giác (Triangulated Irregular Network – TIN). 1. 4. 3 Khái niệm về cấp độ chi tiết Khái niệm cấp độ chi tiết (Level of Detail – LoD) được đưa ra để diễn tả mức độ chi tiết, sự giống nhau giữa mô hình địa hình 3D và thế giới thực. Ở bước 1- xây dựng mô hình hình học, LoD sẽ quyết định độ chi tiết của các đối tượng như độ chính xác của DEM, những chi tiết nào của bề mặt đất có thể bỏ qua, những công trình kiến trúc nào phải được thể hiện và thể hiện đến mức nào, những tiểu tiết nào có thể được khái quát hoá. Ở bước 2 - Hiển thị trực quan, LoD sẽ quyết định về mặt h ình thức đối tượng sẽ được thể hiện giống với hình ảnh thực đến mức nào. Có hai xu hướng thể hiện trái ngược nhau. Một là ký hiệu hoá tối đa các đối tượng theo các nguyên tắc bản đồ. Hai là cố gắng thể hiện các đối tượng càng giống với hình ảnh thực càng tốt. Thí dụ ở cách thứ nhất một ngôi nhà bê tông được qui định thể hiện đơn giản là một khối màu xám, ở cách thứ hai nó được chụp ảnh ở tất cả các bề mặt và các ảnh này được đính lên từng bề mặt của mô hình ngôi nhà. Người thiết kế phải chọn được một điểm dừng hợp lý giữa hai xu hướng này. LoD áp dụng ở bước xây dựng mô hình DEM, mô hình hình học các đối tượng 3D trên DEM và ở bước hiển thị trực quan phải đồng đều. 17
Hình 2. Cấp độ chi tiết LoD đối với các đối tượng nhà, khối nhà 1. 4. 4 Biểu diễn đối tượng 3D 1. 4. 4. 1 Điểm Điểm là thành phần cơ sở được định nghĩa trong một hệ tọa độ. Đối với hệ tọa độ hai chiều mỗi điểm được xác định bởi cặp tọa độ (x, y). Khi biểu diễn các điểm độ cao địa hình, chúng ta thường biểu diễn điểm trong hệ tọa độ 3 chiều xác định bởi các giá trị (x, y, z). 1. 4. 4. 2 Đường thẳng Một đường thẳng có thể xác định nếu biết hai điểm thuộc nó. Phương trình đường thẳng đi qua hai điểm (x1, y1) và (x2, y2) có dạng sau : x  x1 x 2  x1  y  y1 y 2  y1 Ngoài ra, người ta còn sử dụng phương trình tham số của đường thẳng có dạng các tọa độ x, y được mô tả qua một thành phần thứ ba là t. (x2,y2) t>1 t=1 (x1,y1) t=0 t
Dạng này rất thuận tiện khi khảo sát các đoạn thẳng. x  (1  t)x1  tx 2   y  (1  t)y1  ty 2 Nếu t[0,1], ta có các điểm (x,y) thuộc về đoạn thẳng giới hạn bởi hai điểm (x1, y1) và (x2, y2), nếu t[-, +], ta sẽ có toàn bộ đường thẳng Trong biểu diễn bề mặt địa hình, đoạn thẳng nối hai điểm độ cao trên bề mặt địa hình được dùng để miêu tả sự biến đổi tuyến tính của một phần bề mặt địa hình nằm giữa hai điểm đó. 1. 4. 4. 3 Mặt phẳng Khi biểu diễn bề mặt địa hình dưới dạng lưới tam giác không đều TIN, thì mỗi tam giác sẽ đặc tả phần địa hình nằm bên trong tam giác đó. Mỗi tam giác là một mặt phẳng, để biểu diễn các tam giác trên máy tính, chúng ta sử dụng phương trình toán học của mặt phẳng. Phương trình tổng quát biểu diễn mặt phẳng có dạng: Ax + By + Cz + D = 0 Trong đó (x, y, z) là một điểm bất kì của mặt phẳng và A, B, C, D là các hằng số diễn tả thông tin không gian của mặt phẳng. Để xác định phương trình mặt phẳng của một tam giác trong không gian, ta sử dụng tọa độ của ba đỉnh (x1,y1,z1), (x2,,y2,z2), (x3 ,y3,z3) của tam giác này. Từ (2.5) ta có: Axk + Byk + Czk + D = 0 ; ( k = 1,2,3) Dùng quy tắc Cramer, ta có thể xác định A, B, C, D theo công thức: x 1 1 z1 x1 y1 1 x1 y1 z1 1 y1 z1 B  x2 1 z2 C  x2 y 2 1 D   x2 y2 z2 A  1 y2 z2 x3 1 z3 x3 y3 1 x3 y3 z3 1 y3 z3 19
Khai triển các định thức trên ta được công thức tường minh của các hệ số: A  y1 (z 2  z 3 )  y 2 (z 3  z 1 )  y 3 (z1  z 2 ) B  z (x  x )  z (x  x )  z (x  x )  1 2 3 2 3 1 3 1 2  C  x 1 (y 2  y 3 )  x 2 (y 3  y1 )  x 3 (y1  y 2 ) D   x 1 (y 2 z 3  y 3 z 2 )  x 2 (y 3 z 1  y1 z 3 )  x 3 (y1z 2  y 2 z 1 )  Đôi khi, sẽ rất hữu ích nếu ta khảo sát các mặt phẳng thông qua ph ương trình tham số. Phương trình tham số của một mặt là một hệ phương trình có hai tham số u, v. Một điểm bất kì trên mặt sẽ có tọa độ được biểu diễn dưới dạng vector tham số : p(u, v) = (x(u, v), y(u, v), z(u, v)). Với mỗi cặp giá trị (u, v) ta sẽ có một bộ các tọa độ (x, y, z) biểu diễn một điểm trên bề mặt đã cho. Các mặt khác nhau sẽ được phân biệt với nhau bằng các bộ hàm x(), y(), z() khác nhau. Để giới hạn không gian của các mặt, thông thường người ta định lại các tọa độ biên sao cho u, v tương ứng biến đổi trong đoạn [0,1], ngược lại khi u, v biến đổi trong khoảng (-, +) mặt phẳng sẽ trải dài đến vô tận. 1. 4. 4. 4 Đường cong Khi biểu diễn bề mặt địa hình, người ta còn thể hiện dáng điệu địa hình dưới dạng các đường bình độ. Đường bình độ là một đường cong phức tạp, luôn uốn lượn bám sát bề mặt địa hình và có độ cao không đổi. Việc tìm ra các công thức để biểu diễn các đường bình độ là rất phức tạp. Trong mục này chúng ta sẽ khảo sát các phương pháp cho phép tạo ra các đường cong mô tả đường bình độ dựa trên tập các điểm xác định trên đường cong. Bài toán đặt ra ở đây là cần xây dựng một đường cong đi qua tập hợp các điểm phân biệt p1, p2, .... , pL+1 có độ cao không đổi và luôn bám sát bề mặt địa hình. Có hai cách giải quyết như sau: - Định tọa độ của một số điểm nào đó thuộc đường cong, sau đó tìm các phương trình toán học và hiệu chỉnh chúng để đường cong đi qua tất cả các điểm pk (k = 1 ÷ L+1). 20