ứng dụng gis trong quản lý quy hoạch xây dựng

1

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

2

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

3
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

4
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
5
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
6
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
GIS
Geographical Information System Hệ thống thông tin địa lý
2D
Two Dimension Hai chiều
3D
Three Dimension Ba chiều
CSDL
Cơ sở dữ liệu
DBMS
Database Management System Hệ quản trị Cơ sở dữ liệu
DEM
Digital Elevation Model Mô hình độ cao số
DTM
Digital Terrain Model Mô hình địa hình số
DSM
Digital Surface Model Mô hình bề mặt số
ESRI
Environmental Systems Research
Institute

Viện nghiên cứu các hệ thống về
môi trường
UBND
Ủy ban nhân dân
7
DANH MỤC HÌNH
Hình 1. Các thành phần cơ bản của GIS 11
Hình 2. Cấp độ chi tiết LoD đối với các đối 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 nối 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 đổi 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
8

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
9

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.
10

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, lưu
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
11

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.

12

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.
13

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.

14

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;
15

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:

16

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.
17

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 hình 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.

18



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 :
12
12
1
1
yy
xx
yy
xx







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.

Hình 3. Dạng tham số của phương trình đường thẳng

(x
1
,y
1
)

t=0

t=1

t>1

t<0

(x
2
,y
2
)

19

Dạng này rất thuận tiện khi khảo sát các đoạn thẳng.






21
21
tyt)y(1y
txt)x(1x

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:
1 1

2 2
3 3
1 y z
A 1 y z
1 y z


33
22
11
z1x
z1x
z1x
B 

1yx
1yx
1yx
C
33
22
11


1 1 1
2 2 2
3 3 3
x y z
D x y z
x y z

 

20

Khai triển các định thức trên ta được công thức tường minh của các hệ số:











)zyz(yx)zyz(yx)zyz(yxD
)y(yx)y(yx)y(yxC
)x(xz)x(xz)x(xzB
)z(zy)z(zy)z(zyA
122133113223321
213132321
213132321
213132321

Đôi khi, sẽ rất hữu ích nếu ta khảo sát các mặt phẳng thông qua phương
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).
21

- Cách khác là xác định một số các điểm gọi là điểm điều khiển và dùng
một giải thuật nào đó để xây dựng đường cong dựa trên các điểm này.
Đường cong được xây dựng bởi một tập các điểm điều khiển này có
thể được phát sinh lại khi cần.
Trong phần này, luận văn sẽ nghiên cứu theo hướng tiếp cận thứ hai là
cách phổ biến nhất để xây dựng các đường đồng mức dựa trên các đường cong
Spline và B-Spline.
Đường cong Spline
Đường cong Spline p(t) được xây dựng dựa trên (L+1) điểm kiểm soát pk
bằng cách sử dụng các hàm trộn Spline Rk(t) có dạng như sau :




L
0k
kk
(t)Rpp(t)
t  R
Tập các hàm trộn Ri(t) này có giá mang là khoảng t  [ti, ti+1] trên đó
hàm lấy giá trị là một phần của đoạn [0, 1], ngoài giá mang này hàm có giá trị là
0. Như vậy, đường cong chỉ phụ thuộc vào một số điểm kiểm soát mà thôi. Các
hàm trộn mà ta đề cập đến ở đây chính là tập các đa thức được định nghĩa trên
các đoạn kề nhau để các đoạn đường cong được tạo ra, nối lại với nhau, tạo nên
một đường cong liên tục. Ví dụ ta định nghĩa hàm g(t) bao gồm ba đa thức a(t),
b(t), c(t) như sau :




















2
2
2
t)(3
2
1
c(t)
2
3
t
4
3
b(t)
t
2
1
a(t)
g(t)

Giá mang của g(t) là [0,3], của a(t) là [0,1], của b(t) là [1,2], của c(t) là
[2,3].
Các điểm tại các đoạn đường cong gặp nhau được gọi là các điểm nối, và
giá trị t tại các điểm đó được gọi là nút. Có thể kiểm chứng được g(t) liên tục tại
22

nếu t

k


t

t
k+1
nếu với t còn lại

mọi nơi trên giá mang của nó, nên đường cong tại các chỗ nối là trơn, g(t) là một
ví dụ của hàm trộn Spline.
Đường cong tổng quát được xây dựng từ tập các nút t0, t1, , với ti R và
ti  ti+1. Với mỗi điểm kiểm soát pk ta kết hợp với một hàm trộn tương ứng là
Rk(t). Rk(t) là đa thức riêng phần liên tục trên mỗi đoạn con [ti, ti+1] và liên tục
tại mỗi nút.
Các đoạn đường cong riêng phần này gặp nhau tại các điểm nút, do các
hàm trộn Spline liên tục tại các nút nên đường cong tạo ra cũng liên tục. Những
đường cong như vậy là đường cong Spline.
Vấn đề được đặt ra tiếp ở đây: Cho trước một vector nút, có tồn tại hay
không họ các hàm trộn sao cho chúng có thể phát sinh ra mọi đường cong Spline
được định nghĩa trên vector nút đó. Một họ các hàm như vậy được gọi là cơ sở
cho Spline, nghĩa là bất kì đường cong Spline nào cũng có thể được đưa về cùng
một công thức bằng cách chọn đa giác kiểm soát phù hợp.
Câu trả lời là có nhiều họ hàm như vậy, nhưng đặc biệt có một họ hàm
trộn có giá mang nhỏ nhất đó là B-Spline (B là từ viết tắt của basis).
Đường cong B-Spline
Một đường cong B-Spline cấp m xây dựng dựa trên vector nút T và (L+1)
điểm kiểm soát pk có dạng:





L
0k
mk,k
(t)Npp(t)
với k = 0, 1, , L
Trong đó Nk,m(t) là đa thức có bậc (m-1) có công thức đệ quy:
(t)N
tt
tt
(t)N
tt
tt
(t)N
1m1,k
1kmk
mk
1mk,
k1mk
k
mk, 




























với




0
1
)t(N
1,k

23

Các điểm ti có thể được xác định theo nhiều cách khác nhau. Một trong
các cách đó là cho ti = i, lúc này khoảng cách giữa các điểm nút là bằng nhau.
Chúng ta có thể có cách định nghĩa khác:







2mL
1mL
0
t
i

với i = 0, …, L+m.

1.4.4.5 Hình khối
Một phương pháp thông dụng và đơn giản để mô hình hóa các địa vật trên
mô hình số địa hình và trong bản đồ ba chiều là mô hình khung nối kết. Mỗi địa
vật là một mô hình khung nối kết gồm có một tập các đỉnh và tập các cạnh nối
giữa các đỉnh đó. Khi thể hiện bằng mô hình này, các đối tượng ba chiều có vẻ
rỗng và không giống thực tế lắm. Để hoàn thiện hơn, người ta dùng các kĩ thuật
tạo bóng và loại bỏ các đường và mặt khuất. Tuy nhiên vẽ bằng mô hình này
thường cho kết quả hiển thị nhanh.
Với mô hình khung nối kết, hình dạng của đối tượng ba chiều được biểu
diễn bằng hai danh sách, danh sách các đỉnh và danh sách các cạnh nối các đỉnh
đó. Danh sách các đỉnh cho biết thông tin hình học đó là vị trí các đỉnh, còn danh

sách các cạnh xác định thông tin về sự kết nối, nó cho biết cặp các đỉnh tạo ra
cạnh. Chúng ta hãy quan sát một vật thể ba chiều được biểu diễn bằng mô hình
khung nối kết như sau:

Hình 4. Vật thể ba chiều được biểu diễn bằng mô hình khung nối kết
N
ếu i<m

Nếu m≤i≤L
Nếu i>L
24

1.5 Một số ứng dụng của mô hình địa hình số 3D
1.5.1 Các ứng dụng trong việc giám sát và phát hiện tài nguyên
Giám sát lũ lụt: Việc mô hình hoá vùng lưu vực sông dựa trên dữ liệu địa
hình 3D, các thông tin tại các điểm nút (các mặt cắt ngang, mặt cắt dọc), dữ liệu
về lượng mưa, lượng nước bị giữ lại và sức chứa của lưu vực có thể được dùng
để đưa ra các dự báo về khoảng thời gian, phạm vi ngập lũ và đề xuất các biện
pháp phòng ngừa. Trong quá trình đang xảy ra thiên tai dựa trên các nội dung của
Mô hình địa hình 3D, cơ quan phụ trách có thể đưa ra các quyết định tức thời,
chính xác về việc di dời người và tài sản, giảm nhẹ thiệt hại về người và của,
đánh giá thiệt hại và đưa ra các biện pháp cứu trợ hiệu quả.
Phòng chống cháy rừng, phòng chống sụt lở đất cũng có thể phát hiện một
cách rất hiệu quả dựa trên thông tin của Mô hình địa hình 3D. Từ DEM, dữ liệu
về lớp phủ thực vật kết hợp với các thông tin về lượng mưa, chiều gió, độ ẩm,
chất đất có thể đưa ra các cảnh báo, các phản ứng tức thời và các phương án
nhằm giảm thiểu thiệt hại do thiên tai gây ra.
1.5.2 Các ứng dụng trong xây dựng cơ sở hạ tầng và viễn thông
Trong xây dựng cơ sở hạ tầng
Thiết kế - qui hoạch là một trong những lĩnh vực rộng lớn rất cần Mô hình

địa hình 3D. Từ thiết kế giao thông, đô thị, công trình công cộng đến thiết kế nhà
máy thuỷ điện đều cần đến các thông tin chính xác này để nghiên cứu tình trạng
hiện thời, tính toán khối lượng đào đắp để đưa ra phương án tối ưu, lên kế hoạch
giải toả và tái định cư, hiển thị mô hình thiết kế, lấy ý kiến đóng góp, trình duyệt.
Trong viễn thông
DEM cũng đã được ứng dụng trong viễn thông để thiết kế các trạm phát
sóng, tiếp sóng dựa trên phân tích về vùng thông hướng nhìn. Nhưng gần đây với
quá trình đô thị hoá, các khu nhà cao tầng mọc lên rất nhanh thì DEM không còn
khả năng cung cấp đủ thông tin cho việc quản lý viễn thông nữa nhất là trong các
khu vực mật độ dân số cao. Mô hình địa hình 3D hoặc một biến thể của nó là mô
hình thành phố 3D có thể cung cấp thông tin đầy đủ hơn cho việc chọn các vị trí
25

tối ưu để xây dựng trạm thu phát, đảm bảo việc truyền phát sóng được thực hiện
hiệu quả nhất.
1.5.3 Các ứng dụng trong lĩnh vực quốc phòng
Với ưu điểm về môi trường hiển thị ba chiều rất giống với thế giới thực,
Mô hình địa hình 3D được sử dụng cho các ứng dụng mô phỏng địa hình trong
lĩnh vực quân sự, hàng không Bằng cách kết hợp các nội dung Mô hình địa
hình 3D với cơ sở dữ liệu của sân bay, các công ty phần mềm có thể cung cấp
cho các sân bay công cụ để thiết lập một hệ thống phòng tránh các va chạm hàng
không, cảnh báo tiếp cận sân bay và quản lý các chuyến bay.
Ngoài ra trong quân sự Mô hình địa hình 3D có thể sử dụng phục vụ tác
chiến, phân tích địa hình cho các hoạt động chiến trường như: phân tích tầm nhìn
hay khả năng cơ động của các trang thiết bị cơ giới Các ứng dụng tiêu biểu
khác của DEM trong quân sự là phục vụ dẫn đường cho tên lửa và thiết kế mạng
thông tin liên lạc. Các ứng dụng trong quân sự cũng đòi hỏi phải có các chức
năng hiển thị mạnh như các công cụ hiển thị hình ảnh động trong các mô hình
mô phỏng tác chiến.
1.6 Tình hình ứng dụng GIS ở Việt Nam

Hệ thống GIS đã bắt đầu được nghiên cứu ứng dụng trong nhiều bộ
ngành: Quy hoạch xây dựng, sử dụng đất, tài nguyên môi trường, giao thông vận
tải và bắt đầu đã được đưa vào chương trình giảng dạy tại một số trường đại
học.
Trong lĩnh vực Quy hoạch xây dựng, công nghệ GIS đã được áp dụng tại
một số đơn vị trong ngành quy hoạch xây dựng và cơ quan quản lý địa phương
như: Viện Kiến trúc, Quy hoạch đô thị và nông thôn, UBND Thành phố Hà nội,
Sở địa chính, Viện Quy hoạch Hải Phòng, Sở Tài nguyên – Môi trường Cần
Thơ và nhiều cơ quan khác. Các phần mềm chính được sử dụng như: MapInfo,
ArcInfo, AutoCad, ArcView, Microstation, Access, SQL server,