Báo cáo khoa học: "Phát triển Hệ thống thông tin địa lý hỗ trợ thiết kế công trình xây dựng" ppt

Phát triển Hệ thống thông tin địa lý
hỗ trợ thiết kế công trình xây dựng

TS. ngô đăng quang
Bộ môn Tự động hoá thiết kế cầu đờng
Khoa Công trình - Trờng ĐHGTVT

Tóm tắt: Trong thiết kế các công trình xây dựng, dữ liệu địa lý luôn đóng một vai trò quan
trọng. Nhằm khai thác có hiệu quả các thông tin dạng ny, cần thiết phải xây dựng các hệ
thống thông tin địa lý chuyên dụng. Bi viết giới thiệu tóm tắt các kết quả nghiên cứu đang đợc
áp dụng để xây dựng các hệ thống thông tin địa lý hỗ trợ thiết kế công trình xây dựng.
Summary: In design of civil constructions the geographical informations always play a
important role. In order to exploit this information efficiently some
specialized Geographic
Information Systems (GIS) should be build. This paper introduces brieftly some research
results being applied in development of GIS to support the design of
civil constructions.
I. đặt vấn đề
Việc thiết kế các công trình xây dựng đòi
hỏi phải xử lý một lợng lớn thông tin đa dạng
và từ các nguồn rất khác nhau. Rất nhiều
thông tin trong số đó có liên quan trực tiếp
hoặc gián tiếp đến các yếu tố có tính địa lý
nh địa hình, địa chất, thủy văn, môi trờng
v.v. của nơi đặt công trình hoặc cả một khu
vực.
Cho đến nay, các thông tin kể trên hầu
hết đều đợc khảo sát trực tiếp khi hình thành
các dự án xây dựng và sau đó đợc quản lý
một cách rời rạc hoặc ở dạng tĩnh nh báo

cáo, bản vẽ, v.v. hoặc ở các cơ sở dữ liệu
riêng biệt. Việc truy cập và khai thác chúng
cho các dự án xây dựng mới đều đợc thực
hiện rất khó khăn.
Đặc điểm của các thông tin có tính địa lý
(thông tin địa lý) là chúng gắn liền với vị trí và
hình dạng cụ thể trong không gian của các đối
tợng và do đó đòi hỏi các phơng pháp xử lý
thích hợp. Để hỗ trợ cho việc quản lý, lu trữ
và xử lý các thông tin dạng này, một kiểu hệ
thống thông tin mới đã hình thành - Hệ thống
thông tin địa lý. Phụ thuộc vào các ứng dụng
chuyên môn cụ thể có thể có các hệ thống
thông tin địa lý khác nhau.
Bài viết này trình bày một số nghiên cứu
phát triển hệ thống thông tin địa lý khác nhau
hỗ trợ thiết kế công trình xây dựng đã và đang
đợc tiến hành tại Bộ môn Tự động hoá Thiết
kế Cầu đờng, Khoa Công trình.
II. Khái niệm về Hệ thống thông tin
địa lý
Với các tiến bộ vợt bậc của các công
nghệ phần cứng và phần mềm, các hệ thống
thông tin đang ngày càng trở nên hoàn thiện
và hỗ trợ ngày càng tốt hơn các hoạt động
của con ngời. Với các hệ thống thích hợp,
các dữ liệu do máy tính xử lý đợc ngày càng
trở nên đa dạng, phong phú và hoàn chỉnh
hơn. Hệ thống thông tin địa lý (Geographic
Infor-mation System - GIS) là các hệ thống

tích hợp, có nhiệm vụ thu thập, xử lý, quản lý
và thể hiện các thông tin có liên quan đến địa
lý (hay còn gọi là thông tin địa lý) của các đối
tợng trong một vùng lãnh thổ hoặc một quốc
gia. Các đối tợng địa lý thờng chứa hai loại

thông tin cơ bản: thông tin hình học nh hình
dạng và vị trí của đối tợng trong không gian
và các thông tin chuyên đề, là các thông tin
tơng ứng với một nhu cầu sử dụng nhất định
nào đó, nh số làn xe và cấp tải trọng của
tuyến đờng, v.v (hình 1).
Các thông tin địa lý, cho đến nay, đợc
thể hiện hầu hết dới dạng các bản đồ, ví dụ,
bản đồ hành chính, bản đồ địa hình v.v , với
khả năng tơng đối hạn chế trong việc xử lý
và thể hiện thông tin. Các hệ thống thông tin
địa lý, khi ra đời, đã tạo ra một môi trờng
thống nhất cho các loại thông tin này. Chúng
không đơn giản là các bản đồ số hoá (digital-
ized map): với việc tích hợp ngày càng rộng
rãi các loại dữ liệu, các hệ thống thông tin địa
lý có thể đợc áp dụng để xử lý các thông tin
rất đa dạng nh: địa hình, địa chất, phân bố
đất đai, môi trờng, dân c, nớc ngầm, phát
triển công nghiệp, mạng lới giao thông v.v
Ngoài ra các hệ thống thông tin địa lý còn cho
phép thực hiện các tính toán đánh giá các
thông tin này với nhau, ví dụ so sánh sự phát
triển của mạng lới giao thông với sự phân bố

dân c hoặc phát triển công nghiệp trong một
khu vực. Trong thời gian gần đây, các hệ
thống thông tin địa lý đợc u tiên phát triển ở
rất nhiều nớc trên thế giới. Nhiều nớc đã
công khai hoá một phần các thông tin địa lý
của mình dới dạng các hệ thông tin địa lý tự
do. Các nớc phát triển nh Mỹ, Canada,
Anh, Đức đã để các thông tin về mạng lới
đờng bộ, đờng thuỷ và đờng sắt của mình
lên mạng Internet.
Về mặt cấu trúc hệ
thống, các hệ thống thông tin
địa lý thờng bao gồm các
bộ phận chính là một hoặc
nhiều cơ sở dữ liệu, một hệ
thống xử lý và các giao diện
làm nhiệm vụ truy nhập và
truy xuất cũng nh thể hiện,
trình bày dữ liệu (hình vẽ 2).
Các thông tin đợc quản lý
và lu trữ trong các cơ sở dữ
liệu. Các thông tin này đợc
xử lý theo các yêu cầu nhất
định và trình bày ở các dạng
thích hợp thông qua hệ
thống thể hiện. Với sự phát triển của phơng
pháp hớng đối tợng, thông tin trong các hệ
thống thông tin địa lý hiện đại đợc tổ chức
thành các đối tợng. Điều này giúp cho việc
chuyển giao thông tin giữa các hệ thống có

thể đợc thực hiện một cách dễ dàng và đầy
đủ hơn so với các phơng pháp tổ chức thông
tin khác. Trong các hệ thống thông tin địa lý,
các nhóm thông tin khác nhau đợc tổ chức
thành các lớp (layer) có độ độc lập tơng đối
với nhau. Giữa các lớp này có thể tồn tại các
liên hệ để, qua đó, hệ thống có thể thực hiện
các tính toán nhất định với thông tin ở các lớp
khác nhau. Dữ liệu đa vào các hệ thống
thông tin địa lý có thể ở các dạng rất khác
nhau: dạng chữ-số (alpha-numeric), bản vẽ
(graphic) hoặc hình ảnh (image). Các đối
tợng hình học trong các hệ thống thông tin
địa lý có thể tồn tại dới dạng vec-tơ hoặc các
tranh tĩnh (raster) còn các thuộc tính của
chúng tồn tại dới dạng chữ - số. Các đối
tợng vec-tơ có thể có đợc từ các đối tợng
raster thông qua quá trình vec-tơ hoá.
Đ
ối t
ợ
n
g

Địa lý
Dữ liệu
chuyên đề
Dữ liệu hình
h
ọ

c

To
ạ
đ
ộ

g
ốc
(
1,2,3
)
Góc (30)
Hình dạng (Điểm)

Tên
(
Hố khoan A
)
Lớp địa chất (4)
Chiều sâu (H30)


Hình 1. Thông tin địa lý

III. Phát triển các hệ thống thông
tin địa lý hỗ trợ thiết kế công
trình xây dựng
Công tác thiết kế công trình xây dựng,
nh đã nêu ở trên, bao gồm xử lý rất nhiều

thông tin có liên quan trực tiếp hoặc gián tiếp
đến yếu tố địa lý. Với các hệ thống thông tin
địa lý, các thông tin này đợc quản lý, xử lý và
tích hợp với nhau để hỗ trợ một cách tối u
cho các hệ thống phần mềm xây dựng.
3.1. Cấu trúc hệ thống
3.1.1. Cơ sở dữ liệu
Cấu trúc cơ bản của hệ thống đợc trình
bày trong hình vẽ 2. Toàn bộ các thông tin địa
lý cần thiết cho công tác thiết kế công trình
đợc lu trữ trong một cơ sở dữ liệu quan hệ
chung. Về nguyên tắc, cơ sở dữ liệu này có
thể đợc lựa chọn bất kỳ, tuy nhiên, để thuận
tiện cho phát triển hiện tại, phần mềm cơ sở
dữ liệu MS-Access của Microsoft đã đợc lựa
chọn sử dụng. Để có thể thay thế cơ sở dữ
liệu khi nhu cầu về dữ liệu thay đổi, hệ thống
hiện nay làm việc với cơ sở dữ liệu qua giao
diện ODBC (Open Database Connectivity).
Thông qua giao diện này, các hệ thống phần
mềm làm việc với cơ sở dữ liệu thông qua
nguồn dữ liệu (Data source) mà không phụ
thuộc vào tính chất vật lý của bản thân cơ sở
dữ liệu.
3.1.2. Khối xử lý
Khối xử lý của hệ thống
đợc thiết kế và xây dựng độc
lập với cơ sở dữ liệu và khối thể
hiện của hệ thống. Điều này
đảm bảo tính mềm dẻo và dễ

mở rộng của toàn bộ hệ thống.
Để dễ dàng kết nối với các hệ
thống phần mềm khác (có thể
đợc phát triển bằng các ngôn
ngữ khác nhau, khối xử lý đợc
xây dựng thành các th viện
COM (Component Object
Model). Tơng ứng với các
nhiệm vụ đã đợc định nghĩa,
hệ thống có các mô-đun xử lý
dữ liệu địa hình, địa chất, thuỷ
văn, v.v. Kết quả xử lý dữ liệu ở mỗi mô-đun
có thể đợc chuyển trực tiếp đến các mô-đun
khác thông qua các giao diện hoặc đợc lu
trữ ở cơ sở dữ liệu.
Các Chơn
g
trình
hỗ trợ Thiết kế

Khối Giao diện của
HT Thôn
g
Tin Đ
ị
a l
ý
Cơ sở dữ liệu
Thôn
g

tin Đ
ị
a l
ý
Thôn
g
Tin Đ
ị
a
hình
Khối x l
ý
của HT
Thôn
g
Tin Đ
ị
a l
ý
Thôn
g
Tin Đ
ị
a
chất
Thôn
g
Tin Thu
ỷ

văn
Thôn
g
tin Dân c,
Kinh tế

Hình 2. Cấu trúc hệ thống thông tin địa lý hỗ trợ thiết kế
công trình xây dựng
3.1.3. Khối giao diện
Để có thể kết hợp một cách có hiệu quả
với các hệ thống chơng trình hỗ trợ thiết kế
khác đang đợc sử dụng hoặc sẽ đợc phát
triển, khối giao diện của hệ thống đợc lựa
chọn là hệ thống AutoCAD của Autodesk. Để
AutoCAD có thể xử lý một cách thông minh
các đối tợng địa lý của hệ thống, một hệ
thống đối tợng chuyên dụng đã đợc phát
triển bằng cách kế thừa các đối tợng từ th
viện hớng đối tợng ObjectARX của
AutoCAD.
3.2. Xử lý thông tin địa hình
Trong công tác thiết kế và xây dựng công
trình, đặc biệt là các công trình đờng, các
thông tin địa hình thờng đóng một vai trò khá
quyết định trong việc định tuyến và xác định
khối lợng thi công công trình.

Hiện tại có rất nhiều phơn
g
pháp để xâ

y

d
ự
n
g
mô hình đ
ị
a hình số nh phơn
g
pháp
lới qu
y
tắc, phơn
g
pháp lới tam
g
iác bấ
t

qu
y
tắc Delauna
y
. Để xâ
y
d
ự
n
g

mô hình đ
ị
a
hình số, phơn
g
pháp lới tam
g
iác Delauna
y

đã đ
ợ
c l
ự
a ch
ọ
n. Đâ
y
là phơn
g
pháp đ
ợ
c
dùng khá phổ biến hiện na
y
do tính phù h
ợ
p
với đ
ị

a m
ạ
o của nó m
ặ
c dù thu
ậ
t toán xâ
y

d
ự
n
g
lới tam
g
iác nà
y
rất khó để l
ậ
p trình.
Hình vẽ 3 trình bà
y
kết quả thể hiện tron
g
môi
trờn
g
AutoCad mô hình đ
ị
a hình số của m

ộ
t
khu v
ự
c đ
ợ
c xâ
y
d
ự
n
g
theo phơn
g
pháp lới
tam giác Delauna
y
đ
ợ
c phát triển t
ạ
i B
ộ
môn
Tự động hoá Thiết kế Cầu đờng.
Hệ thốn
g
thôn
g
tin đ

ị
a hình có nhiệm v
ụ
lu trữ, quản l
ý
, tính toán xử l
ý
và thể hiện các
thôn
g
tin đ
ị
a hình của khu v
ự
c nh điểm đo,
các bề m
ặ
t số, các v
ị
trí đ
ị
a hình đ
ặ
c biệt nh

côn
g
trình nhân t
ạ
o, các đ

ị
a v
ậ
t t
ự
nhiên, v.v.
Thông tin các điểm đo đợc nhập từ các
n
g
uồn dữ liệu khác nhau và đ
ợ
c lu trữ dới
d
ạ
n
g
các bản
g
của cơ sở dữ liệu. Trên cơ sở
các thôn
g
tin từ các điểm đo nà
y
, hệ thốn
g
sẽ
xây dựng mô hình địa hình số phản ánh chính
xác đ
ị
a m

ạ
o của khu v
ự
c khảo sát cũn
g
nh

làm cơ sở để phát triển các ứn
g
d
ụ
n
g
khác
nh tính toán đờn
g
phân thu
ỷ
, t
ụ
thu
ỷ
cũn
g
nh lu v
ự
c và tính toán các khối l
ợ
n
g

đào
đắp về sau. Mô hình đ
ị
a hình số cũn
g
đ
ợ
c s
ử
d
ụ
n
g
để kiểm tra tính thích h
ợ
p của các thiế
t
kế công trình trên các mô hình 3 chiều.

Hình 3. Mô hình địa hình số
3.3. Xử lý thông tin địa chất
Tơng tự thông tin địa hình, các thông tin
địa chất đợc quản lý dới dạng dữ liệu của
các hỗ khoan địa chất rời rạc trong các bảng
của cơ sở dữ liệu quan hệ. Bên cạnh các khả
năng về lu trữ, quản lý và trình bày dới dạng
các báo cáo các thông tin địa chất ở các hố
khoan của khu vực, hệ thống thông tin địa
chất còn có khả năng xây dựng các bề mặt
địa chất ở dạng 3 chiều trên cơ sở nội suy. Từ

các bề mặt địa chất này, hệ thống có thể tính
toán đợc các thông tin địa chất ở từng địa
điểm công trình.
Việc nội suy để xây dựng bề mặt địa chất
đợc thực hiện dựa trên đa giác Voronoi. Đa
giác Voronoi đợc tạo ra từ hệ thống đờng
trung trực của các tam giác Delaunay đã đợc
nêu lên ở phần trên và phản ánh chính xác
miền ảnh hởng của các điểm. Dựa theo
nguyên tắc này, miền ảnh hởng của từng hỗ
khoan địa chất sẽ đợc xác định và từ đó xây
dựng các bề mặt địa chất cho từng khu vực.

Hình vẽ 4 trình bày hệ thống đa giác Voronoi
của hệ thống điểm là các hố khoan địa chất.
iV. Kết luận
Trong thiết kế công trình xây dựng, các
thông tin địa lý luôn đóng các vai trò quan
trọng. Để các thông tin này có thể đợc sử
dụng một cách có hiệu quả, cần thiết phải
phát triển các hệ thống thông tin địa lý chuyên
dụng có khả năng quản lý, lu trữ và xử lý
chúng một cách có hệ thống.
Các hệ thống thông tin địa lý đợc nghiên
cứu và phát triển tại Bộ môn Tự động hoá
Thiết kế Cầu đờng là các hệ thống chuyên
dụng làm cơ sở thông tin cho các công tác
thiết kế công trình xây dựng.

Hình 4. Đa giác Voronoi lm cơ sở để xây dựng

các bề mặt địa chất

Tài liệu tham khảo
[1]. Ralf Bill. Cơ sở của các hệ thống thông tin địa
lý, tập 1, 2 (Grundlage der Geo-Informations
systeme - Nguyên bản tiếng Đức). NXB
Wichmann, 1999.
[2]. Ngô Đăng Quang. Xây dựng hệ thống thông tin
tích hợp cho ngành xây dựng. Tạp chí Khoa
học Giao thông vận tải, số 5, 2003