Mô hình hóa bản đồ ba chiều và ứng dụng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ






NGUYỄN NGỌC VŨ









MÔ HÌNH HÓA BẢN ĐỒ BA CHIỀU VÀ ỨNG DỤNG







LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hà Nội - 2010

-i-

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Đặng Văn Đức, Viện Công nghệ
thông tin, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, người đã định hướng, đã tận tình
hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo khoa Công nghệ Thông tin, trường
Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội, những người đã tận tình truyền đạt các
kiến thức, quan tâm, động viên trong suốt thời gian tôi học tập và nghiên cứu tại
Trường.
Nhân đây cho phép tôi gửi lời cảm ơn tới nhóm các bạn học cùng lớp K15T3,
lớp chuyên ngành Hệ thống thông tin, các bạn đồng nghiệp đã thường xuyên quan tâm,
giúp đỡ, chia sẻ kinh nghiệm, cung cấp các tài liệu hữu ích trong suốt thời gian học tập
tại Trường và đặc biệt là trong quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp vừa qua.


Hà Nội, tháng 10 năm 2010
Tác giả luận văn

Nguyễn Ngọc Vũ











-ii-

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bản luận văn “Mô hình hóa bản đồ ba chiều và ứng dụng” là
công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Đặng Văn
Đức, tham khảo các nguồn tài liệu đã chỉ rõ trong trích dẫn và danh mục tài liệu tham
khảo. Các nội dung công bố và kết quả trình bày trong luận văn này là trung thực và
chưa từng được ai công bố trong bất cứ công trình nào.

Hà Nội, tháng 10 năm 2010
Tác giả luận văn

Nguyễn Ngọc Vũ

-iii-

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN i
LỜI CAM ĐOAN ii
DANH SÁCH BẢNG BIỂU v
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vi
BẢNG KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT ix
MỞ ĐẦU 1
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ TRÊN
KHÔNG GIAN BA CHIỀU (3D GIS) 5
1.1. Giới thiệu 5
1.2. Hệ thống thông tin địa lý (GIS) 5
1.2.1. Khái niệm 5
1.2.2. Các chức năng GIS 9
1.2.3. Ứng dụng của GIS 10
1.2.4. Các phần mềm GIS thông dụng 10
1.3. Hệ thống thông tin địa lý trên không gian ba chiều (3D GIS) 15

1.3.1. Khái niệm 15
1.3.2. Các chức năng của 3D GIS 16
1.3.3. Các phần mềm 3D GIS 17
1.3.4. Ứng dụng của 3D GIS 21
CHƢƠNG 2: CÁC PHƢƠNG PHÁP BIỂU DIỄN BẢN ĐỒ BA CHIỀU 22
2.1. Giới thiệu 22
2.2. Các phương pháp biểu diễn 3D GIS 22
2.2.1. Mô hình lưới đều (Grid) 22
2.2.2. Mô hình Shape (Shape Model) 23
2.2.3. Mô hình mặt (Facet Model) 24
2.2.4. Mô hình biểu diễn biên (Boundary Representation (B-rep)) 25
2.2.5. Mô hình mảng 3 chiều (3D Array) 27
2.2.6. Mô hình Octree 28
2.2.7. Mô hình CSG (Constructive Solid Geometry) 29
2.2.8. Mô hình 3D TIN (Tetrahedral network, TEN) 30
2.3. Các thuật toán hỗ trợ mô hình hóa bản đồ ba chiều 32
-iv-

2.3.1. Thuật toán biến đổi khoảng cách (Distance Transformation) 32
2.3.2. Thuật toán khảm Voronoi (Voronoi Tessellations) 35
2.3.3. Thuật toán Triangulations (Triangulations (TINs)) 38
2.3.4. Thuật toán biến đổi khoảng cách ba chiều (3D Distance Transformation)
41
2.3.5. Thuật toán khảm Voronoi 3 chiều (3D Voronoi Tessellation) 44
2.3.6. Thuật toán sinh mạng các khối tứ diện (TEN Generation) 45
2.4. Mạng các tam giác không đều (TIN) 46
2.4.1. Cấu trúc dữ liệu TIN 47
2.4.2. Phương pháp xây dựng TIN 48
CHƢƠNG 3: BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH BA CHIỀU VÀ CÀI ĐẶT THỬ NGHIỆM 54
3.1. Giới thiệu 54

3.2. Bản đồ địa hình ba chiều 54
3.2.1. Cơ sở khoa học của bản đồ địa hình ba chiều 54
3.2.2. Nguyên tắc chung trong xây dựng và hiển thị nội dung bản đồ địa hình ba
chiều 66
3.2.3. Các phương pháp thành lập bản đồ địa hình ba chiều 70
3.3. Cài đặt thử nghiệm 71
3.3.1. Phân tích yêu cầu thử nghiệm 71
3.3.2. Lựa chọn mô hình cài đặt 73
3.3.3. Lựa chọn công nghệ 74
3.3.4. Đánh giá 86
KẾT LUẬN 87
TÀI LIỆU THAM KHẢO 88







-v-

DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Các thông số tính toán từ DEM và ứng dụng của chúng 65
Bảng 3.2: Bảng mẫu thuộc tính của các đối tượng đường giao thông 70

-vi-

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Mô hình công nghệ hệ thống GIS 6
Hình 1.2: Các thành phần của hệ thống GIS 7
Hình 1.3: Giao diện phần mềm AutoCAD 2010 11
Hình 1.4: Giao diện phần mềm MapInfo Professional 10.0 12
Hình 1.5: Giao diện phần mềm MicroStation 8.0 13
Hình 1.6: Giao diện phần mềm mô hình hóa 3D ArcScene của ArcGIS 14
Hình 1.7: 3D Analyst (một trong các chức năng mở rộng) [8] 18
Hình 1.8: Thành phần VirtualGIS (trong phần Add-on module) [8] 19
Hình 1.9: Thành phần Terrain bên tron hệ thống GeoMedia [8] 20
Hình 1.10: Thành phần Topographer bên trong hệ thống PAMAP GIS [8] 21

Hình 2.1: Hai loại biểu diễn đối tượng không gian [8] 22
Hình 2.2: Biểu diễn bề mặt bằng phương pháp lưới đều (Grid) [8] 23
Hình 2.3: Biểu diễn bề mặt sử dụng mô hình shape [8] 24
Hình 2.4: Mô hình TIN [8] 24
Hình 2.5: Ví dụ của các điểm địa hình (thu thập bởi đo đạc mặt đất) 25
Hình 2.6: Ví dụ biểu diễn mặt TIN của bề mặt địa hình đối với các điểm trong
hình 2.5 25
Hình 2.7: Biểu diễn B-rep của polygon phẳng [8] 26
Hình 2.8: Các loại biểu diễn mặt [8] 27
Hình 2.9: Ví dụ biểu diễn mảng 3D biểu diễn đối tượng đặc [8] 27
Hình 2.10: Ví dụ biểu diễn Octree của đối tượng [8] 29
Hình 2.11: Các đối tượng đơn giản từ các khối nguyên tử đơn giản CSG [8] 30
Hình 2.12: Ví dụ mô hình 3D TIN (TEN) [8] 31
Hình 2.13: Ví dụ các lỗ khoang trong lòng đất (boreholes) giả định 31
Hình 2.14: Ví dụ của biểu diễn TIN 3D đối với các lỗ khoang trong lòng đất
(boreholes) 31
Hình 2.15: Các loại biểu diễn khối [8] 32
Hình 2.16: Một vài điểm nhân (hoặc điểm mục tiêu) [8] 33
Hình 2.17: Ảnh DT của các điểm trong Hình 2.16 [8] 33
Hình 2.18: Các mặt nạ đối với các phép toán DT [8] 34
Hình 2.19: Ví dụ đa giác Voronoi được biểu diễn bởi một số điểm dữ liệu [8].
35
-vii-

Hình 2.20: Quá trình tính toán DT và tạo ảnh Voronoi trong quá trình “quét”
xuôi [8]. 36
Hình 2.21: Tính toán song song DT và khảm Voronoi [8] 37
Hình 2.22: Các điểm hạt nhân 38
Hình 2.23: Các đa giác Voronoi được tạo ra của các điểm trong hinh 2.22 38
Hình 2.24: Các điểm hạt nhân đã được raster hóa của tập dữ liệu đo vẽ ảnh 38

Hình 2.25: Các đa giác Voronoi được tạo ra từ các điểm hạt nhân (hình 2.24) 38
Hình 2.26: Sáu tam giác không bị che phủ của 7 điểm được tạo bởi kỹ thuật
sinh tam giác Delaunay [8] 39
Hình 2.27: Hai khả năng hình thành tam giác [8] 40
Hình 2.28: Mặt nạ (2 x 2) để dò tìm cấu trúc hình học mô hình TIN [8] 40
Hình 2.29: Dò tìm cấu trúc hình học tam giác [8] 41
Hình 2.30: Mặt nạ 3-4-5 đối với 3D DT [8] 42
Hình 2.31: Các phần của ảnh (chia theo trục Z hoặc theo mức độ)đối với 3D
DT và khảm Voronoi ba chiều [8] 43
Hình 2.32: Ví dụ ảnh chuyển đổi khoảng cách 3D (3D distance transformation
image) của 4 điểm [8] 44
Hình 2.33: Ví dụ phép khảm Voronoi 3 chiều của 4 điểm [8] 45
Hình 2.34: Sáu TEN không chồng đè [8] 45
Hình 2.35: Cấu trúc dữ liệu TEN (đối với TEN 1 được đưa ra trong hình 2.34)
46
Hình 2.36: Ví dụ hiển thị TEN 46
Hình 2.37: Điểm dữ liệu [5] 47
Hình 2.38: Mô hình TIN [5] 47
Hình 2.39: TIN với góc nhìn [5] 48
Hình 2.40: Đường bình độ [5] 48
Hình 2.41: Bản đồ các cột điện thoại của thành phố [5] 48
Hình 2.42: Sơ đồ Voronoi của hai vị trí [5] 49
Hình 2.43: Sơ đồ Voronoi của ba vị trí [5] 49
Hình 2.44: Sơ đồ Voronoi với 20 vị trí [5] 50
Hình 2.45: Sơ đồ Voronoi và cấu trúc TIN [5] 50
Hình 2.46: Một bước trong thuật toán greedy insertion [5] 52
Hình 2.47: Tập điểm vào [5] Error! Bookmark not defined.
-viii-

Hình 2.48: Tam giác bao [5] Error! Bookmark not defined.

Hình 2.49: Tạo các tam giác đều để đưa vào TIN [5] 52
Hình 2.50: Kiểm tra điều kiện Delauney [5] 53
Hình 2.51: Mô hình TIN với tập dữ liệu vào trong hình 2.47 [5] 53
Hình 3.1: Các nội dung chính của mô hình bản đồ địa hình ba chiều [1] 55
Hình 3.2: Cấp độ chi tiết LoD đối với các đối tượng nhà, khối nhà [1] 59
Hình 3.3: Mô hình bản đồ ba chiều khu vực hồ Hoàn Kiếm 72
Hình 3.4: Góc nhìn khác của mô hình bản đồ 3 chiều khu vực hồ Hoàn Kiếm 72
Hình 3.5: Mô hình cài đặt 73
Hình 3.6: Ứng dụng Silverligt trình diễn media 75
Hình 3.7: Phép chiếu đối tượng 3D trên màn hình theo một góc nhìn cụ thể
[32] 78
Hình 3.8: Mô hình hóa đối tượng trong không gian 3 chiều [32] 79
Hình 3.9: Quy tắc bàn tay phải [32] 79
Hình 3.10: Hệ trục tọa độ thuận tay phải, hướng ba ngón tay chỉ chiều dương
của ba trục tọa độ XYZ [32] 80
Hình 3.11: Ví dụ khối lập phương đơn giản được tạo từ WPF 3D [32] 81
Hình 3.12: Bản đồ địa hình tỷ lệ 1:2000 khu vực Hồ Hoàn Kiếm 82
Hình 3.13: Bản đồ địa chính tỷ lệ 1:2000 khu vực Hồ Hoàn Kiếm 83
Hình 3.14: Mô hình ba chiều các công trình văn hóa, tòa nhà 84
Hình 3.15: Các tòa nhà không mô hình hóa chi tiết 85
Hình 3.16: Giao diện Microsoft Visual Studio 2008 86

-ix-

BẢNG KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT
2D
: Hai chiều
3D
: Ba chiều
CAD
: Thiết kế được trợ giúp bởi máy tính (Computer Aided Design)
CSDL
: Cơ sở dữ liệu
DBMS
: Hệ quản trị cơ sở dữ liệu (Database Management Systems)
DEM
: Mô hình số độ cao (Digital Elevation Model)
DTM
: Mô hình số địa hình (Digital Terrain Model)
DSM
: Mô hình số bề mặt (Digital Surface Model)
GIS
: Hệ thống thông tin địa lý (Geographic Information System)
GPS
: Hệ thống định vị toàn cầu (Global Positioning System)
GRID
: Mô hình lưới đều của mô hình số độ cao
LiDAR
: Công nghệ đo Laser (Light Detection And Ranging)
LoD
: Cấp độ chi tiết (Level of Detail)
MultiLoD

: Đa cấp độ chi tiết (Multiple Level of Detail)
TIN
: Mạng các tam giác không đều (Triangulated Irregular Network)
-1-

MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài:
Ngày nay, công nghệ thông tin đã trở thành công nghệ không thể thiếu trong
đời sống của con người, nó đóng vai trò vô cùng quan trọng trong sự phát triển, tiến bộ
văn minh nhân loại và góp phần rất lớn vào sự phát triển của nền kinh tế. Ở nước ta,
Chính phủ đặc biệt quan tâm việc phát triển ngành công nghệ thông tin thành một nền
công nghiệp mũi nhọn, đặc biệt là việc ứng dụng công nghệ thông tin trong việc hiện
đại hóa, kinh tế hóa các ngành, các lĩnh vực, đơn giản hóa thủ tục hành chính và từng
bước phát triển Chính phủ điện tử.
Hệ thống thông tin địa lý (GIS) ra đời vào những năm 1960 là một nhánh của
công nghệ thông tin và là sự kết hợp của công nghệ thông tin, khoa học trái đất và
khoa học thông tin địa lý. GIS đã có những bước phát triển vượt bậc và được ứng dụng
rộng rãi trong tất cả các ngành, các lĩnh vực, như trong các ngành: đo đạc và bản đồ,
quản lý, dự báo và sử dụng có hiệu quả tài nguyên, thiên nhiên và môi trường, quản lý
quy hoạch đô thị, giao thông, viễn thông, thăm dò khai thác dầu khí, …
Trong sự phát triển của các hệ thống thông tin địa lý (GIS), qua mỗi giai đoạn
sự phát triển nhằm đáp ứng các nhu cầu thay đổi liên tục và nhanh của con người,
nhằm giải quyết các bài toán, các vấn đề liên quan đến thu thập, lưu trữ, quản lý, phân
tích và mô hình hóa dữ liệu không gian địa lý. Giai đoạn ban đầu, nhu cầu của con
người là số hóa các bản đồ, dữ liệu không gian địa lý dưới dạng giấy, đưa vào lưu trữ,
quản lý, hiển thị và phân tích các đối tượng trong không gian hai chiều, từ đó hình
thành lên hệ thống thông tin địa lý trên không gian hai chiều (2D GIS). Tiếp đó, thực
tế đặt ra các bài toán mà trong đó với mỗi đối tượng trong không gian ngoài thông tin
về tọa độ không gian hai chiều x, y cần thêm thông tin về độ cao của đối tượng đó, như
vậy với mỗi đối tượng trong không gian hai chiều cần phải gắn kèm thêm giá trị độ

cao, từ đó hình thành nên GIS mà tác giả tạm gọi là thế hệ thứ hai, đó là hệ thống
thông tin địa lý 2,5 chiều (2,5D GIS). Song hành cùng sự phát triển là sự thay đổi
trong nhu cầu, đòi hỏi của con người, đó là nhu cầu về mô hình hóa, trực quan hóa,
cộng với những vấn đề mà các bài toán đặt ra, như việc làm thế nào để mô hình hóa
được một thành phố, trong đó ngoài yếu tố địa hình như mô hình số độ cao (DEM),
cần có các đối tượng nổi trên bề mặt, tại mỗi vị trí trong không gian ngoài tọa độ địa lý
x, y có thể có nhiều giá trị độ cao mà ta phải quản lý. Ngoài ra có nhiều bài toán cần
đến việc phân tích, mô hình hóa trên không gian ba chiều. Do đó, cần xây dựng một hệ
thống thông tin địa lý ba chiều đầy đủ, hình thành lên thế hệ tiếp theo, đó là hệ thống
thông tin địa lý trên không gian ba chiều (3D GIS).
Trong lĩnh vực bản đồ học, bản đồ ba chiều là một lĩnh vực còn tương đối mới
mẻ. Các nhà khoa học trên thế giới đang tập trung nghiên cứu từ việc đề xuất ra các
-2-

mô hình dữ liệu, các phương pháp mô hình hóa dữ liệu ba chiều, qua đó xây dựng các
cấu trúc lưu trữ, từ đó chọn ra được mô hình dữ liệu phù hợp nhất với từng bài toán cụ
thể. Ngoài ra, đó là việc xây dựng các phép toán, phép phân tích, xử lý và hiển thị trên
không gian ba chiều mà chúng không đơn thuần chỉ là việc mở rộng một cách “cơ
học” từ các phép toán trên không gian hai chiều. Bản đồ ba chiều, trong đó cụ thể là
bản đồ địa hình ba chiều có rất nhiều ứng dụng hữu ích như là trong quản lý giao
thông, quy hoạch, kiến trúc, mô phỏng, viễn thông, du lịch, phục dựng các công trình
kiến trúc cổ, quân sự, thăm dò dầu khí, ….
Trên thế giới, cùng với sự phát triển của đồ họa ba chiều, các phát triển liên
quan đến phần cứng hiển thị và xử lý đồ họa, các nghiên cứu, ứng dụng trên không
gian ba chiều cũng rất phát triển. Trong đó, hệ thống thông tin địa lý trên không gian
ba chiều và bản đồ ba chiều đã được quan tâm nghiên cứu từ khá lâu, cách đây 2-3
thập kỷ và hiện đã có rất nhiều nghiên cứu sâu, cụ thể về các vấn đề bên trong cốt lõi
của các hệ thống 3D GIS. Tính đến thời điểm thực hiện luận văn này, nhiều hãng,
công ty lớn trên thế giới đã tập trung đầu tư và cho ra đời các sản phẩm bản đồ ba
chiều phục vụ cộng đồng, có thể kể ra như: hệ thống Google Earth của hãng Google,

… và sắp tới hãng Nokia cũng phát triển dịch vụ bản đồ ba chiều nhằm cạnh trang với
Google. Những điều đó để thấy được rằng tầm quan trọng và tính ứng dụng của các
nghiên cứu liên quan đến 3D GIS và bản đồ ba chiều.
Ở Việt Nam, trong vài năm trở lại đây, 3D GIS và bản đồ ba chiều cũng đã
được quan tâm nghiên cứu. Có thể liệt kê ra đây một số nghiên cứu tiêu biểu như: công
trình “biểu diễn bản đồ ba chiều và ứng dụng” của tập thể tác giả Lê Quốc Hưng,
Đặng Văn Đức, Nguyễn Tiến Phương và Đặng Quốc Hữu (2001). Công trình tập trung
nghiên cứu các phương pháp biểu diễn bản đồ ba chiều, qua đó đã chỉ ra rằng mô hình
mạng các tam giác không đều (TIN) phù hợp để biểu diễn bản đồ ba chiều. Trong lĩnh
vực bản đồ học, cũng có một số công trình, trong đó tiêu biểu là công trình nghiên cứu
“nghiên cứu và thử nghiệm thành lập bản đồ địa hình 3D” của thạc sĩ Nguyễn Thị
Thục Anh và cộng sự (2005). Nghiên cứu này đã tập trung vào các khái niệm cơ bản,
cơ sở toán học của bản đồ địa hình ba chiều, trên cơ sở đó đề xuất thử nghiệm phương
pháp xây dựng, biểu diễn bản đồ địa hình ba chiều dựa trên công nghệ ArcGIS của
hãng ESRI (Mỹ). Năm 2008, tại Hà Nội, Bộ Xây dựng đã tổ chức hội thảo “Hội thảo
ứng dụng hệ thống thông tin địa lý (GIS) trong phát triển đô thị”, trong đó nhấn mạnh
đến vai trò quan trọng và khả năng ứng dụng của 3D GIS đối với việc hỗ trợ quy
hoạch và kiến trúc cho thành phố cũng như các vấn đề về giao thông. Hiện nay, ở nước
ta cũng đã ứng dụng nhiều công nghệ mới trong thể thu thập dữ liệu không gian ba
chiều như bay quét địa hình sử dụng công nghệ lazer (LiDAR), đo vẽ lập thể, radar
trực giao, …Những dữ liệu này là đầu vào rất tốt cho việc mô hình hóa bản đồ ba
chiều, nhưng hiện tại các dữ liệu này mới được lưu trữ dưới dạng file văn bản (text)
tập các tọa độ xyz, mô hình lưới đều (grid)…Ngành tài nguyên và môi trường đang
-3-

cần các nghiên cứu cụ thể ứng dụng cho các đối tượng dữ liệu quan trắc được để xây
dựng và quản lý các loại bản đồ ba chiều.
Với mong muốn tìm hiểu, nghiên cứu về hệ thống thông tin địa lý trên không
gian ba chiều, các cấu trúc dữ liệu ba chiều, việc mô hình hóa không gian ba chiều, các
thuật toán hỗ trợ trong việc mô hình hóa không gian ba chiều, … từ đó ứng dụng vào

việc mô hình hóa bản đồ địa hình ba chiều của một khu vực cụ thể, xây dựng cài đặt
thử nghiệm ứng dụng trên web. Vì vậy, tác giả đã chọn đề tài “mô hình hóa bản đồ ba
chiều và ứng dụng” làm để tài luận văn thạc sĩ của mình, đây là một đề tài tương đối
mới, mang tính tổng hợp, có khả năng ứng dụng thực tiễn và mang tính cấp thiết.
Mục đích nghiên cứu:
Đề tài tập trung nghiên cứu về các phương pháp mô hình hóa bản đồ ba chiều,
các phép toán và các thuật toán trong không gian ba chiều. Qua đó rút ra nhận xét ứng
dụng vào việc thử nghiệm xây dựng hệ thống biểu diễn và mô hình hóa bản đồ địa
hình ba chiều trên web của một khu vực nhỏ cụ thể.
Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu:
 Đối tượng nghiên cứu: các phương pháp mô hình hóa bản đồ ba chiều, các
thuật toán hỗ trợ mô hình hóa, bản đồ địa hình ba chiều.
 Phạm vi nghiên cứu: nghiên cứu các phương pháp mô hình hóa bản đồ ba
chiều, bản đồ địa hình ba chiều và thử nghiệm mô hình hóa bản đồ địa hình
ba chiều khu vực Hồ Hoàn Kiếm, TP. Hà Nội.
Phƣơng pháp nghiên cứu:
Luận văn được thực hiện dựa trên các phương pháp suy luận, phân tích, tổng
hợp từ các công trình nghiên cứu, các đề tài khoa học có liên quan trong và ngoài
nước.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:
 Nghiên cứu các phương pháp mô hình hóa bản đồ ba chiều, từ đó rút ra nhận
xét và đưa ra phương pháp phù hợp đối với bản đồ địa hình ba chiều.
 Nghiên cứu các thuật toán hỗ trợ việc mô hình hóa bản đồ ba chiều, phép
toán, thuật toán phân tích, xử lý trong không gian ba chiều.
 Nghiên cứu các khái niệm, cơ sở toán học, nội dung, các phương pháp thành
lập bản đồ địa hình ba chiều.
 Xây dựng thử nghiệm ứng dụng mô hình hóa bản đồ địa hình ba chiều trên
Web.
-4-

Kết cấu của luận văn:
Ngoài phần mở đầu, danh mục ký hiệu viết tắt, mục lục, danh mục tài liệu tham
khảo và phần kết luận, nội dung của luận văn gồm ba chương:
 Chƣơng 1: Tổng quan về hệ thống thông tin địa lý trên không gian ba chiều
(3D GIS)
Chương này giới thiệu các khái niệm cơ bản, chức năng và ứng dụng của hệ
thống thông tin địa lý (GIS), hệ thống thông tin địa lý trên không gian hai chiều (2D
GIS), hệ thống thông tin địa lý trên không gian ba chiều (3D GIS).
 Chƣơng 2: Các phương pháp biểu diễn bản đồ ba chiều
Chương này giới thiệu các phương pháp biểu diễn bản đồ ba chiều trong đó
phân ra thành hai loại: biểu diễn mặt và biểu diễn khối. Chương này đi sâu giới thiệu
hai phương pháp biểu diễn: phương pháp lưới đều (grid) và phương pháp mạng tam
giác không đều (TIN). Hai phương pháp này được sử dụng nhiều để xây dựng mô hình
số độ cao (DEM), mô hình số địa hình (DTM) và mô hình số bề mặt (DSM) là các cơ
sở xây dựng bản đồ ba chiều, trong đó có bản đồ địa hình ba chiều. Ngoài ra, chương
này cũng giới thiệu các thuật toán bổ trợ cho việc mô hình hóa bản đồ ba chiều. Trên
cơ sở các phương pháp mô hình hóa và các thuật toán trình bày, tác giả đưa ra những
nhận xét, đánh giá, lựa chọn phương pháp và thuật toán phù hợp đối với mô hình hóa
bản đồ địa hình ba chiều.
 Chƣơng 3: Bản đồ địa hình ba chiều và cài đặt thử nghiệm
Chương này giới thiệu các khái niệm cơ bản, cơ sở toán học và các phương
pháp xây dựng bản đồ địa hình ba chiều. Trên cơ sở đó lựa chọn khu vực thử nghiệm
xây dựng bản đồ địa hình ba chiều. Chương này cũng giới thiệu các công nghệ đã
được tác giả sử dụng để cài đặt thử nghiệm ứng dụng mô hình hóa bản đồ địa hình ba
chiều, giới thiệu các chức năng của ứng dụng, đưa ra các nhận xét, đánh giá về ưu,
nhược điểm, các kinh nghiệm thu được trong quá trình xây dựng ứng dụng thử
nghiệm.

-5-

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ TRÊN
KHÔNG GIAN BA CHIỀU (3D GIS)
1.1. Giới thiệu
Chương này giới thiệu tổng quan về hệ thống thông tin trên không gian ba chiều
(3D GIS), các khái niệm cơ bản, các chức năng của 3D GIS, các hệ thống 3D GIS hiện
có trên thị trường và ứng dụng của 3D GIS.
Hệ thống thông tin địa lý trên không gian ba chiều (3D GIS) là sự mở rộng của
hệ thống thông tin địa lý trên không gian hai chiều (2D GIS). Do đó, trước khi trình
bày tổng quan về 3D GIS, tác giả cũng giới thiệu những khái niệm cơ bản, các chức
năng và ứng dụng của hệ thống thông tin địa lý (GIS).
1.2. Hệ thống thông tin địa lý (GIS)
1.2.1. Khái niệm
a. Khái niệm
Hệ thống thông tin địa lý (Geographic Information System - gọi tắt là GIS) là
một nhánh của công nghệ thông tin được hình thành vào những năm 1960 và phát
triển rất rộng rãi trong 10 năm lại đây. GIS ngày nay là công cụ trợ giúp quyết định
trong nhiều hoạt động kinh tế - xã hội, quốc phòng của nhiều quốc gia trên thế giới.
GIS có khả năng trợ giúp các cơ quan chính phủ, các nhà quản lý, các doanh
nghiệp, các cá nhân đánh giá được hiện trạng của các quá trình, các thực thể tự
nhiên, kinh tế - xã hội thông qua các chức năng thu thập, quản lý, truy vấn, phân
tích và tích hợp các thông tin được gắn với một nền hình học (bản đồ) nhất quán
trên cơ sở toạ độ của các dữ liệu đầu vào [33].
Từ năm 1980 đến nay đã có rất nhiều các định nghĩa được đưa ra, tuy nhiên
không có định nghĩa nào khái quát đầy đủ về GIS vì phần lớn chúng đều được xây
dựng trên khía cạnh ứng dụng cụ thể trong từng lĩnh vực. Có ba định nghĩa được

dùng nhiều nhất:
 GIS là một hệ thống thông tin được thiết kế để làm việc với các dữ liệu
trong một hệ toạ độ quy chiếu. GIS bao gồm một hệ cơ sở dữ liệu và các
phương thức để thao tác với dữ liệu đó.
 GIS là một hệ thống nhằm thu thập, lưu trữ, kiểm tra, tích hợp, thao tác,
phân tích và hiển thị dữ liệu được quy chiếu cụ thể vào trái đất.
 GIS là một chương trình máy tính hỗ trợ việc thu thập, lưu trữ, phân tích và
hiển thị dữ liệu bản đồ.
b. Mô hình công nghệ
-6-

Một cách khái quát, có thể hiểu một hệ GIS như là một quá trình sau:

Hình 1.1: Mô hình công nghệ hệ thống GIS
 Dữ liệu vào: dữ liệu được nhập từ các nguồn khác nhau như chuyển đổi giữa
các cách biểu diễn dữ liệu, máy quét, hình ảnh từ vệ tinh, ảnh chụp, …
 Quản lý dữ liệu: sau khi dữ liệu được thu thập và tổng hợp, GIS cần cung
cấp các thiết bị có thể lưu và bảo trì dữ liệu nhằm đảm bảo: bảo mật số liệu,
tích hợp số liệu, lọc và đánh giá số liệu, khả năng duy trì. GIS lưu thông tin
thế giới thực thành các tầng dữ liệu riêng biệt, các tầng này đặt trong cùng
một hệ trục toạ độ và chúng có khả năng liên kết với nhau.
 Xử lý dữ liệu: các thao tác xử lý dữ liệu được thực hiện để tạo ra thông tin.
Nó giúp cho người sử dụng quyết định cần làm tiếp công việc gì. Kết quả
của xử lý dữ liệu là tạo ra các ảnh, báo cáo và bản đồ.
 Phân tích và mô hình: số liệu tổng hợp và chuyển đổi chỉ là một phần của
GIS. Những yêu cầu tiếp theo là khả năng giải mã và phân tích về mặt định
tính và định lượng thông tin đã thu thập.
 Dữ liệu ra: một trong các phương diện công nghệ GIS là sự thay đổi của các
phương pháp khác nhau trong đó thông tin có thể hiển thị khi nó được xử lý
bằng GIS. Các phương pháp truyền thống là bảng và đồ thị có thể cung cấp

bằng các bản đồ và ảnh ba chiều.
c. Các lĩnh vực khoa học liên quan đến GIS
GIS là sự hội tụ các lĩnh vực công nghệ và các ngành truyền thống, nó hợp nhất
các số liệu mang tính liên ngành bằng tổng hợp, mô hình hoá và phân tích. Vì vậy
có thể nói, GIS được xây dựng trên các tri thức của nhiều ngành khoa học khác
nhau để tạo ra các hệ thống phục vụ mục đích cụ thể. Các ngành này bao gồm:
 Ngành địa lý: là ngành liên quan mật thiết đến việc biểu diễn thế giới và vị
trí của đối tượng trong thế giới. Nó có truyền thống lâu đời về phân tích
không gian và nó cung cấp các kỹ thuật phân tích không gian khi nghiên
cứu.
-7-

 Ngành bản đồ: nguồn dữ liệu đầu vào chính của GIS là các bản đồ. Ngành
bản đồ có truyền thống lâu đời trong việc thiết kế bản đồ, do vậy nó cũng là
khuôn mẫu quan trọng nhất của đầu ra GIS.
 Công nghệ viễn thám: các ảnh vệ tinh và ảnh máy bay là nguồn dữ liệu địa
lý quan trọng cho hệ GIS. Viễn thám bao gồm cả kỹ thuật thu thập và xử lý
dữ liệu ở mọi vị trí trên quả địa cầu. Các dữ liệu đầu ra của hệ thống ảnh vệ
tinh có thể được trộn với các lớp dữ liệu của GIS.
 Ảnh máy bay: khi ta xây dựng bản đồ có tỷ lệ cao thì ảnh chụp từ máy bay là
nguồn dữ liệu chính về bền mặt trái đất được sử dụng làm đầu vào.
 Bản đồ địa hình: cung cấp dữ liệu có chất lượng cao về vị trí của ranh giới
đất đai, nhà cửa…
 Ngành thống kê: các kỹ thuật thống kê được sử dụng để phân tích dữ liệu
GIS. Nó là đặc biệt quan trọng trong việc xác định sự phát sinh các lỗi hoặc
tính không chắc chắn trong số liệu của GIS.
 Khoa học tính toán: tự động thiết kế máy tính cung cấp kỹ thuật nhập, hiển
thị biểu diễn dữ liệu. Đồ hoạ máy tính cung cấp công cụ để thể hiện, quản lý
các đối tượng đồ hoạ. Quản trị cơ sở dữ liệu cho phép biểu diễn dữ liệu dưới
dạng số, các thủ tục để thiết kế hệ thống, lưu trữ, xâm nhập, cập nhật.

 Toán học: các ngành hình học, lý thuyết đồ thị được sử dụng trong thiết kế
hệ GIS và phân tích dữ liệu không gian.
d. Các thành phần của GIS
GIS bao gồm 5 thành phần:

Hình 1.2: Các thành phần của hệ thống GIS
-8-

- Con người:
Con người là thành phần quan trọng nhất, là nhân tố thưc hiện các thao tác
điều hành sự hoạt động của hệ thống GIS.
Người dùng GIS là những người sử dụng các phần mềm GIS để giải quyết
các bài toán không gian theo mục đích của họ. Họ thường là những người được
đào tạo tốt về lĩnh vực GIS hay là các chuyên gia.
Người xây dựng bản đồ: sử dụng các lớp bản đồ được lấy từ nhiều nguồn
khác nhau, chỉnh sửa dữ liệu để tạo ra các bản đồ theo yêu cầu.
Người xuất bản: sử dụng phần mềm GIS để kết xuất ra bản đồ dưới nhiều
định dạng xuất khác nhau.
Người phân tích: giải quyết các vấn đề như tìm kiếm, xác định vị trí…
Người xây dựng dữ liệu: là những người chuyên nhập dữ liệu bản đồ bằng
các cách khác nhau: vẽ, chuyển đổi từ định dạng khác, truy nhập CSDL…
Người quản trị CSDL: quản lý CSDL GIS và đảm bảo hệ thống vận hành
tốt.
Người thiết kế CSDL: xây dựng các mô hình dữ liệu lôgic và vật lý.
Người phát triển: xây dựng hoặc cải tạo các phần mềm GIS để đáp ứng các
nhu cầu cụ thể.
- Dữ liệu:
Một cách tổng quát, người ta chia dữ liệu trong GIS thành 2 loại:
 Dữ liệu không gian (spatial) cho ta biết kích thước vật lý và vị trí địa lý
của các đối tượng trên bề mặt trái đất.

 Dữ liệu thuộc tính (non-spatial) là các dữ liệu ở dạng văn bản cho ta biết
thêm thông tin thuộc tính của đối tượng.
- Phần cứng:
Là các máy tính điện tử: PC, mini Computer, MainFrame … là các thiết bị
mạng cần thiết khi triển khai GIS trên môi trường mạng. GIS cũng đòi hỏi các
thiết bị ngoại vi đặc biệt cho việc nhập và xuất dữ liệu như: máy số hoá
(digitizer), máy vẽ (plotter), máy quét (scanner)…
- Phần mềm:
-9-

Hệ thống phần mềm GIS rất đa dạng. Mỗi đơn vị xây dựng GIS đều có hệ
phần mềm riêng của mình. Tuy nhiên, có một dạng phần mềm mà các đơn vị
phải xây dựng là hệ quản trị CSDL địa lý. Dạng phần mềm này nhằm mục đích
nâng cao khả năng cho các phần mềm CSDL thương mại trong việc: sao lưu dữ
liệu, định nghĩa bảng, quản lý các giao dịch do đó ta có thể lưu các dữ liệu đồ
địa lý dưới dạng các đối tượng hình học trực tiếp trong các cột của bảng quan
hệ và nhiều công việc khác.
- Phương pháp phân tích: các phương pháp phân tích cấu trúc và nội dung dữ
liệu.
1.2.2. Các chức năng GIS
Bất kỳ một hệ thống GIS nào đều cần cung cấp thông tin về các hiện tượng
không gian địa lý. Nói cách khác, nhiệm vụ và chức năng của một hệ thống GIS bao
gồm: 1) Thu thập dữ liệu (capture), 2) Xây dựng cấu trúc (structuring), 3) Thao tác dữ
liệu (manipulation), 4) Phân tích (analysis), và 5) Hiển thị (presentation) [8].
- Thu thập dữ liệu: Việc thu thập dữ liệu là đưa dữ liệu không gian vào hệ
thống. Hiện có nhiều kỹ thuật và thiết bị khác nhau phục vụ cho việc thu thập cả dữ
liệu không gian và dữ liệu thuộc tính. Các thiết bị thường được sử dụng để thu thập dữ
liệu không gian có thể được phân loại thủ công, bán tự động hoặc tự động, và đầu ra
của các thiết bị đó hoặc là dữ liệu véc tơ hoặc là dữ liệu raster.
- Xây dựng cấu trúc: Quá trình xây dựng cấu trúc là một giai đoạn quyết định

trong việc tạo ra CSDL không gian được sử dụng trong các hệ thống GIS. Điều này là
bởi nó quyết định loại các chức năng có thể được sử dụng để thao tác và phân tích.
Các hệ thống khác nhau có thể có khả năng xây dựng cấu trúc khác nhau (cấu trúc
hình học đơn giản hoặc phức tạp, quan hệ hoặc hướng đối tượng).
- Thao tác dữ liệu: Trong số các phép toán thao tác dữ liệu, có hai phép toán
quan trọng là tổng quát hoá (generalisation) và chuyển đổi. Tổng quát hóa việc làm
trơn dữ liệu không gian, bao gồm: làm trơn đường, lọc bớt điểm, …Chuyển đổi bao
gồm việc chuyển đổi giữa các hệ tọa độ khác nhau về một phép chiếu bản đồ cụ thể và
xác định tỷ lệ.
- Phân tích: là chức năng cốt lõi của hệ thống GIS, bao gồm các phép toán ma
trận và hình học trên dữ liệu không gian và thuộc tính. Về cơ bản, phân tích trong GIS
là bao gồm các phép toán trên một hoặc nhiều tập dữ liệu mà có thể tạo ra được thông
tin không gian mới từ tập dữ liệu đó. Phân tích địa hình (terrain analysis), tính toán
hình học (geometric computations), chồng xếp, tạo bộ đệm (buffering), khoanh vùng
(zoning) là các chức năng phân tích đặc biệt trong GIS.
-10-

- Hiển thị: là công việc cuối cùng trong hệ thống GIS, ở giai đoạn này, tất cả
các thông tin hoặc kết quả được sinh ra sẽ được hiển thị dưới dạng bản đồ, đồ thị,
bảng, báo cáo, …
1.2.3. Ứng dụng của GIS
Công nghệ GIS ngày càng được sử dụng rộng rãi. GIS có khả năng sử dụng dữ
liệu không gian và thuộc tính (phi không gian) từ các nguồn khác nhau khi thực hiện
phân tích không gian để trả lời các câu hỏi của người sử dụng. Một số ứng dụng cụ thể
của GIS thường thấy trong thực tế là:
- Quản lý hệ thống giao thông: tìm đường, dẫn đường, giám sát, điều khiển,
phân luồng giao thông, lập kế hoạch lưu thông xe cộ, phân tích vị trí, chọn
khu vực xây dựng các tiện ích như bãi đỗ xe, ga tàu xe…Lập kế hoạch phát
triển giao thông.
- Quản lý giám sát tài nguyên, thiên nhiên, môi trường: quản lý gió và thuỷ

hệ, các nguồn nhân tạo, bình đồ lũ, vùng ngập úng, đất nông nghiệp, tầng
ngập nước, rừng, vùng tự nhiên, phân tích tác động môi trường… Xác định
ví trí chất thải độc hại. Mô hình hoá nước ngầm và đường ô nhiễm. Phân
tích phân bố dân cư, quy hoạch tuyến tính.
- Quản lý quy hoạch: phân vùng quy hoạch sử dụng đất, quy hoạch đô thị,
hiện trạng xu thế môi trường, quản lý chất lượng nước, …
- Quản lý các thiết bị: xác định đường ống ngầm, cáp ngầm. Xác định tải
trọng của lưới điện. Duy trì quy hoạch các thiết bị, sử dụng đường điện.
- Phân tích tổng điều tra dân số, lập bản đồ các dịch vụ y tế, bưu điện và
nhiều ứng dụng khác.

1.2.4. Các phần mềm GIS thông dụng
a. AutoCAD
AutoCAD là phần mềm ứng dụng CAD để làm bản vẽ kỹ thuật bằng vectơ hai
chiều hay bề mặt ba chiều, được phát triển bởi hãng Autodesk, Inc [28].
Những phiên bản trước của AutoCAD sử dụng các thực thể nguyên thủy
(primitive entity), bao gồm: đường thẳng, đường polyline, đường tròn, đường cong,
và văn bản làm cơ sở để cấu trúc nên những đối tượng phức tạp hơn. Tuy nhiên, từ
giữa thập niên 1990, AutoCAD đã hỗ trợ các đối tượng đặc sử dụng giao diện lập
trình ứng dụng C++. Những phiên bản AutoCAD gần đây bao gồm những công cụ
-11-

cơ bản về hình khối ba chiều, nhưng nó thiếu một số tính năng cao cấp thường có
trong những chương trình chuyên về lập mô hình khối.
Các định dạng tập tin chính của AutoCAD là DWG và định dạng trao đổi DXF;
hai định dạng này được trở thành tiêu chuẩn “de facto” về dữ liệu CAD. Gần đây,
AutoCAD cũng hỗ trợ DWF, một định dạng được Autodesk phát triển và quảng
cáo có mục đích xuất bản dữ liệu CAD.
Ở Việt Nam, AutoCAD được sử dụng nhiều trong các thiết kế xây dựng và kiến
trúc và được sử dụng chủ yếu bởi các kỹ sư xây dựng và các kiến trúc sư. Trước

đây, AutoCAD cũng được sử dụng trong việc tạo lập và lưu trữ bản đồ, nhưng do
những hạn chế liên quan đến lưu trữ dữ liệu không gian và thuộc tính, các xử lý
không gian nên khoảng 10 năm gần đây AutoCAD không được sử dụng nhiều để
xử lý và lưu trữ dữ liệu GIS.

Hình 1.3: Giao diện phần mềm AutoCAD 2010
b. MapInfo
MapInfo Professional là phần mềm hệ thống thông tin địa lí do công ty
MapInfo (nay là Pitney Bowes) sản xuất. Phiên bản hiện hành là MapInfo
Professional 10.0 [29].
MapInfo Professional là phần mềm chạy trên môi trường Windows, có chức
năng kết nối với các ứng dụng Windows khác (chẳng hạn như Microsoft Office).
-12-

Trên nền một văn bản Office có thể tạo một bản đồ MapInfo cho phép người dùng
tương tác được.
Trước đây MapInfo Professional cũng được nhiều người Việt Nam sử dụng để
số hóa, biên tập và lưu trữ dữ liệu bản đồ. MapInfo Professional hỗ trợ rất tốt trong
việc biên tập và in ấn bản đồ. Nhưng khoảng 5 năm trở lại đây, do nhiều hạn chế
đối với một hệ thống GIS lớn nên MapInfo Professional không còn được sử dụng
nhiều đế số hóa và biên tập bản đồ.

Hình 1.4: Giao diện phần mềm MapInfo Professional 10.0
c. MicroStation
MicroStation là một phần mềm giúp thiết kế (CAD) được sản xuất và phân phối
bởi Bentley Systems. MicroStation có môi trường đồ họa rất mạnh cho phép xây
dựng, quản lý các đối tượng đồ họa thể hiện các yếu tố bản đồ [31].
MicroStation còn được sử dụng để là nền cho các ứng dụng khác như: Famis,
Geovec, Irasb, MSFC, Mrfclean, Mrfclean và eTools, eMap.
Các công cụ của MicroStation được sử dụng để số hóa các đối tượng trên nền

ảnh raster, sửa chữa, biên tập dữ liệu và trình bày bản đồ.
MicroStation còn cung cấp cung cụ nhập, xuất dữ liệu đồ họa từ phần mềm
khác qua các file (.dxf) hoặc (.dwg).
Những năm trước, MicroStation là phần mềm được khuyến cáo sử dụng trong
việc số hóa và biên tập bản đồ đối với công tác thành lập và hiện chỉnh bản đồ ở
Việt Nam. Hiện nay, MicroStation vẫn được sử dụng, nhưng mục đích chủ yếu là
-13-

số hóa bản đồ, còn các công việc liên quan đến phân tích và xử lý dữ liệu không
gian dần dần chuyển sang sử dụng hệ thống phần mềm Arcgis của ESRI (Mỹ).

Hình 1.5: Giao diện phần mềm MicroStation 8.0
d. ArcGIS
ArcGIS là dòng sản phẩm hỗ trợ trong hệ thống thông tin địa lý (GIS) của ESRI
(Mỹ). ArcGis có ba mức bản quyền license: ArcView, ArcEditor, ArcInfo. Trong
đó ArcInfo có chi phí bản quyền lớn nhất và nhiều chức năng nhất [30].
ERSI có những sản phẩm chủ yếu sau:
 ArcGIS gồm các ứng dụng chính ArcMap, ArcCatalog, ArcToolbox.
 ArcIMS dùng để đưa dữ liệu GIS lên Web
 ArcPad dùng cho các thiết bị Mobile
 ArcSDE dùng làm cầu nối truy xuất vào các hệ quản trị cơ sở dữ liệu
 ArcExplore dùng truy cập nguồn dữ liệu trên Web
 ArcGIS server hỗ trợ các chức năng bên phía server cũng như triển khai các
ứng dụng qua mạng
-14-

ArcGIS hỗ trợ nhiều phần mở rộng gọi là các Extension, mỗi Extension hỗ trợ
một số chức năng chuyên biệt như: phân tích không gian (spatial analyst), phân tích
3D (3D analyst), phân tích mạng (Network analyst), xử lý dữ liệu, thống kê không
gian

ArcGIS hỗ trợ đọc được nhiều định dạng dữ liệu khác nhau (khoảng 300 định
dạng) như shapefile, geodatabase, AutoCad, Raster, Coverage,
Dòng phần mềm ArcGIS du nhập vào Việt Nam từ những năm 90, sau các phần
mềm GIS khác như MapInfo hay Geomedia. Tuy nhiên, do tính năng mạnh mẽ và
nhiều công cụ hỗ trợ nên ArcGIS được bắt đầu sử dụng nhiều ở Việt Nam, đặc biệt
với các hệ thống GIS lớn.

Hình 1.6: Giao diện phần mềm mô hình hóa 3D ArcScene của ArcGIS
e. Phần mềm 2D GIS mã nguồn mở
Các phần mềm mã nguồn mở đã thực sự phát triển trong những năm qua và đã
trở thành những công cụ thiết thực và hỗ trợ tốt cho người dùng. Các phần mềm
mã nguồn mở cho GIS cũng không nằm ngoài xu hướng đó và ngày nay đã có thể
đáp ứng được nhu cầu của dân chuyên nghiệp GIS trên toàn thế giới.
-15-

Phần mềm mã nguồn mở có thể được định nghĩa như là những phần mềm mà
tác giả của nó cho không người dùng bao gồm cả việc có quyền xem xét cách thức
mà phần mềm hoạt động để có thể hiệu chỉnh hay phát triển thêm theo ý mình, có
thể được sử dụng dưới nhiều mục đích, dưới nhiều máy khác nhau hay có thể phân
phối lại tuỳ ý.
Điều thuận lợi chính của việc sử dụng các phần mềm mã nguồn mở là chúng
được cung cấp miễn phí thay vì phải mua giấy phép như các phần mềm thương
mại, tính uyển chuyển cao, có thể truy cập vào mã nguồn của chương trình và khả
năng tích hợp tốt hơn vào những kỹ thuật chuẩn.
Một báo cáo của UNU-Merit về sự tác động của các phần mềm mã nguồn mở
đối với kinh tế Châu Âu được thực hiện bởi Cộng đồng Châu Âu, kết luận rằng các
phần mềm miễn phí và mã nguồn mở cũng như các dịch vụ liên quan có thể đạt tới
32% trong tất cả các dịch vụ IT nói chung và 4% GDP Châu Âu vào năm 2010.
Cũng theo báo cáo nói trên, Châu Âu là khu vực đi đầu trong lĩnh vực hợp tác toàn
cầu về các dự án phần mềm miễn phí, mã nguồn mở, thư viện miễn phí và theo sau

đó là các nước Bắc Mỹ, Châu Á và Châu Mỹ Latin.
Được xây dựng trên các hệ điều hành mã nguồn mở, dựa trên các cơ sở dữ liệu,
dịch vụ web và các kỹ thuật phát triển phần mềm, ngày nay chúng ta tìm thấy
những hệ thống mã nguồn mở tồn tại vững chắc trong lĩnh vực ứng dụng GIS.
Những hệ thống này có thể là những hệ quản trị cơ sở dữ liệu không gian (như
POSTGIS), môi trường phân tích dữ liệu (như GRASS), kỹ thuật máy chủ cho web
(như MapServer, Geoserver, Deegree), những công cụ cho máy trạm (như
MapBuilder, MapBender), những công cụ GIS chuyên nghiệp cho máy desktop
thông thường (như gvSIG). Nếu nói về vấn đề tích hợp dữ liệu thì các phần mềm
mã nguồn mở có khả năng hỗ trợ mạnh mẽ đối với chuẩn OGC bao gồm cả các
dịch vụ web về dữ liệu không gian.
Phần lớn những phần mềm mã nguồn mở về GIS đáp ứng cả nhu cầu của cộng
đồng mã nguồn mở lẫn các công ty tư nhân để phát triển, tích hợp, hỗ trợ kỹ thuật
và đào tạo. Nhờ vào tính mở của các phần mềm loại này, các công ty loại nhỏ và
trung bình có thể dễ dàng cung cấp các giải pháp và dịch vụ của họ sau khi phát
triển thêm từ các mã nguồn mở.
1.3. Hệ thống thông tin địa lý trên không gian ba chiều (3D GIS)
1.3.1. Khái niệm
Thế hệ tiếp theo của công nghệ Hệ thống thông tin địa lý (GIS) cần có phương
pháp mô hình hóa dữ liệu không gian mới. Chúng ta gọi thế hệ tiếp theo của công nghệ
GIS là hệ thống thông tin địa lý trên không gian ba chiều (3D GIS).