Phân tích dữ liệu không gian GIS-3D và xây dựng ứng dụng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ







TRƯƠNG THỊ HẠNH PHÚC






PHÂN TÍCH DỮ LIỆU KHÔNG GIAN GIS-
3D VÀ XÂY DỰNG ỨNG DỤNG





LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI - 2011
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ





TRƯƠNG THỊ HẠNH PHÚC






PHÂN TÍCH DỮ LIỆU KHÔNG GIAN GIS-
3D VÀ XÂY DỰNG ỨNG DỤNG


Ngành : Công nghệ thông tin
Chuyên ngành: Công nghệ phần mềm
Mã số: 604810



LUẬN VĂN THẠC SĨ



HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. NGUYỄN ĐÌNH HÓA

Hà Nội, 2011
Phân tích dữ liệu không gian GIS-3D và xây dựng ứng dụng .
Trương Thị hạnh Phúc - chuyên ngành CNPM 2/92
MỤC LỤC
MỤC LỤC 1
LỜI CẢM ƠN 4
LỜI CAM ĐOAN 5
DANH MỤC THUẬT NGỮ VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT 6
MỞ ĐẦU 7
CHƢƠNG 1. BÀI TOÁN THỰC TẾ VÀ GIS 3D 9
1.1.1. Một số ứng dụng GIS trong ngành điện ở nƣớc ngoài 9
1.1.2. Ứng dụng GIS trong ngành điện ở Việt Nam 10
1.2. Bài toán lựa chọn tuyến đƣờng dây truyền tải diện 10
1.2.2. Lựa chọn công nghệ xây dựng ứng dụng 13
1.3. GIS-3D và phân tích không gian 3 chiều 14
1.3.1. Mô hình dữ liệu độ cao trong GIS 14
1.3.2. Các loại dữ liệu về độ cao 15
1.3.2.1. Lƣới độ cao (Grid) 15
1.3.2.2. Dữ liệu dạng mô hình mạng tam giác không đều 16
1.3.2.3. Phép tam giác đạc Delaunay (Delaunay Triangulation) 17
1.3.3. Các chuẩn cho các mô hình độ cao số của USGS 18
1.3.4. Mô hình số độ cao DEM 18
1.3.4.1. Dữ liệu DEM là gì? 18

1.3.4.2. Các kiểu dữ liệu DEM 19
1.3.4.3. Cấu trúc của dữ liệu độ cao 20
1.3.4.4. Mô hình hóa địa hình bằng DEM 22
1.3.5. Phân tích dữ liệu không gian GIS-3D 26
1.3.5.1. Khái niệm 26
1.3.5.2. Phân biệt phân tích dữ liệu không gian GIS với các loại phân tích khác 26
1.3.5.3. Các phép phân tích tích không gian theo yêu cầu ứng dụng 27
1.3.5.4. Phân tích GIS trong các phần mềm thƣơng mại 28
1.3.5.5. Một số phép phân tích không gian [2] 32
CHƢƠNG 2. HỆ THỐNG WEBGIS MÃ NGUỒN MỞ 42
2.1. Hệ quản trị cơ sở dữ liệu PostgreSQL/PostGIS 43
2.2. PostgreSQL hỗ trợ các đối tƣợng hình học 43
2.2.1. Những kiểu dữ liệu Hình học 43
2.2.2. Các hàm và toán tử hình học 47
2.2.3. PostGIS 50
2.3. Minnesota Mapserver 50
2.3.1. Vài nét về lịch sử của Mapserver 50
2.3.2. Các chức năng cơ bản của Mapserver 51
2.3.3. Mô hình của dịch vụ Mapserver 52
2.4. PHP/Mapscript - ngôn ngữ script của Mapserver 53
2.4.1. Ngôn ngữ PHP script 53
2.4.2. Một số nét khái quát về MapScript 54
2.4.3. PHP/Mapscript 55
2.5. Các thành phần của một ứng dụng Mapserver 56
2.5.1. Các tài nguyên cần thiết 56
2.5.2. Các tệp thành phần chính 57
2.5.3. Dữ liệu lƣới điểm – raster 58
2.5.4. Dữ liệu Vector 60
2.6. Mapserver với PostGIS 61
Phân tích dữ liệu không gian GIS-3D và xây dựng ứng dụng .

Trương Thị hạnh Phúc - chuyên ngành CNPM 3/92
2.6.1. Cấu trúc tệp map với tầng PostGIS 61
2.6.2. Applet Rosa 63
CHƢƠNG 3. XÂY DỰNG ỨNG DỤNG WEBGIS HỖ TRỢ TÍNH TOÁN VÀ LỰA
CHỌN VỊ TRÍ XÂY LẮP THÀNH PHẦN HỆ THỐNG LƢỚI ĐIỆN 64
3.1. Giới thiệu bài toán 65
3.2. Phân tích và thiết kế cơ sở dữ liệu 65
3.3. Phân tích và thiết kế các chức năng của ứng dụng 72
3.3.1. Mô hình hóa chức năng theo biểu đồ Use Case: 73
3.3.2. Thiết kế các phép toán đƣợc dùng trong ứng dụng 73
3.3.3. Biểu đồ xử lý của các chức năng chính 81
3.4. Cài đặt và thử nghiệm 85
3.4.1. Các phần mềm đã đƣợc cài đặt và tổ chức thƣ mục 85
3.4.2. Kết quả thử nghiệm 86
3.4.3. Đánh giá kết quả chạy 89
KẾT LUẬN 90
TÀI LIỆU THAM KHẢO 92

Phân tích dữ liệu không gian GIS-3D và xây dựng ứng dụng .
Trương Thị hạnh Phúc - chuyên ngành CNPM 6/92
DANH MỤC THUẬT NGỮ VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Geo-information: Ngành Thông tin địa lý
Geo-spatial: Không gian địa lý
Geo-metric data: Dữ liệu không gian
Thematic data: Dữ liệu thuộc tính
GIS: Geographic information system
ESRI: Environmental Systems Research Institute
TIN: Triangulated irregular network
NDCDB : National Digital Cartographic Data Base
UTM: Universal Transverse Mercator
USGS: United States Geological Survey










Phân tích dữ liệu không gian GIS-3D và xây dựng ứng dụng .
Trương Thị hạnh Phúc - chuyên ngành CNPM 7/92
MỞ ĐẦU
Hệ thống thông tin địa lý GIS (Geographic Information System) ra đời vào thập
kỷ 70 và ngày càng phát triển mạnh mẽ trên nền tảng của tiến bộ công nghệ máy

tính, đồ họa máy tính, phân tích dữ liệu không gian và quản lý dữ liệu. Trong
những năm gần đây, công nghệ này đã có những phát triển nhảy vọt và trở thành
một công cụ hữu hiệu trong công tác quản lý xử lý dữ liệu. GIS khác với các hệ
đồ họa máy tính đơn thuần khác bởi GIS gắn liền với thế giới thực và tự nhiên
hóa trong cách phân tích dữ liệu của hệ thống. Từ các thông tin bản đồ và thông
tin thuộc tính cần được lưu trữ như: Quản trị dữ liệu, bản đồ học, trắc địa, viễn
thám hay hệ thống điện… có thể dễ dàng tạo được các lớp bản đồ và các báo cáo
cung cấp một sự nhìn nhận có hệ thống và tổng thể nhằm thu nhận và quản lý
thông tin vị trí có hiệu quả đối với các chuyên ngành khác nhau. Ưu điểm lớn
nhất của GIS là đối với từng lớp đối tượng cần quản lý, GIS cho phép tạo thêm
một hệ cơ sở dữ liệu kèm theo để quản lý các đối tượng này như bất kỳ một hệ cơ
sở dữ liệu nào khác tạo điều kiện thuận lợi cho việc truy xuất, tính toán.
Với sự phát triển không ngừng, ngày nay GIS trên thế giới đã quản lý được đối
tượng với hệ không gian ba chiều (3D), từng lớp đối tượng được quản lý đã được
phân định rõ nét. Thí dụ như biểu diễn hai đường dây, một là ngầm và một là ở
trên cao. Nếu theo quản lý đối tượng GIS hai chiều thông thường thì sẽ bị trùng
nhau. Nhưng nếu được biểu diễn và quản lý bằng hệ thống GIS ba chiều thì sẽ
thấy rõ là hai đường khác nhau bởi chúng được phản ánh ở những độ cao khác
nhau. Vì vậy, nếu có một quy hoạch tổng thể thì việc phân định không gian quản
lý của từng ngành Bưu điện, Giao thông, Điện lực… sẽ rất rõ ràng khi thiết kế và
thi công các hạng mục công trình trên cùng một địa bàn.
Ứng dụng GIS trong hệ thống điện cho phép lưu trữ và hiển thị thông tin ở các tỷ
lệ khác nhau để người sử dụng có thể dễ dàng quản lý tài sản lưới điện cũng như
cung cấp các thông tin về đường dây, quản lý tài sản như trụ điện, máy biến áp
và các thiết bị điện khác, thể hiện thông tin về các thiết bị điện liên quan. Bên
cạnh đó, GIS cũng hỗ trợ tích cực việc vận hành lưới điện như quản lý hành lang
an toàn lưới điện, quản lý khách hàng, khắc phục nhanh sự cố mất điện, tính toán
tổn thất điện năng, dự báo nhu cầu sử dụng…
Đối với hệ thống điện của Việt Nam, từ trước đến nay khi giải các bài toán trong
hệ thống từ mạng truyền tải đến phân phối cũng như quản lý và vận hành hệ

Phân tích dữ liệu không gian GIS-3D và xây dựng ứng dụng .
Trương Thị hạnh Phúc - chuyên ngành CNPM 8/92
thống đa phần đều dựa trên sơ đồ đơn tuyến. Với ý tưởng ứng dụng công nghệ
GIS vào việc quản lý và vận hành lưới điện phân phối nhằm đem lại hiệu quả cao
trong vận hành sản xuất, bắt nhập với xu thế hiện đại hóa ngành Điện, thời gian
qua việc ứng dụng GIS trong quản lý, vận hành hệ thống điện đã được triển khai
thí điểm tại một số đơn vị điện lực và truyền tải điện.
Yêu cầu về xây dựng hệ thống lưới điện càng trở nên phức tạp và tốn nhiều chi
phí hơn. Đặc biệt là tại các vùng có địa hình không bằng phẳng hoặc các vùng
dân cư có nhiều nhà cao tầng thì việc thiết kế lưới điện gặp rất nhiều khó khăn.
Việc thực hiện xây dựng được một hệ thống lưới điện tiết kiệm chi phí là một bài
toán khó và đang là vấn đề rất được quan tâm. Bên cạnh đó, việc tích hợp công
nghệ GIS và Internet đã tạo ra cơ hội để mọi người đều có thể sử dụng dữ liệu và
các chức năng GIS mà không cần cài đặt bất kỳ một phần mềm GIS chuyên dụng
nào. Vì vậy trong luận văn này chúng tôi có đề xuất và xây dựng một ứng dụng
WebGIS hỗ trợ trong thiết kê hệ thống lưới điện. Nội dung luận văn tốt nghiệp
”Phân tích dữ liệu không gian GIS-3D và xây dựng ứng dụng” được chia thành 3
chương như sau:
Chương 1: Bài toán thực tế và GIS-3D
Giới thiệu tổng quan về GIS-3D mà cụ thể là mô hình dữ liệu độ cao số DEM.
Dựa trên những phép toán phân tích của GIS-3D để thiết kế các thuật toán cho
bài toán thực tế của ngành Điện hiện nay.
Chương 2: Hệ thống WebGIS mã nguồn mở
Chương này giới thiệu về các công cụ mã nguồn mở mà được sử dụng để xây
dựng ứng dụng của GIS.
Chương 3: Xây dựng ứng dụng WebGIS hỗ trợ tính toán và lựa chọn vị trí xây
lắp thành phần hệ thống lưới điện.
Chương này mô hình hóa ứng dụng WebGIS hỗ trợ nhà thiết kế tính toán và lựa
chọn vị trí xây lắp thành phần hệ thống lưới điện. Thiết kế các thuật toán dựa trên
các phép toán phân tích không gian cở sở và mô hình hóa dữ liệu không gian

GIS-3D cho ứng dụng.

Phân tích dữ liệu không gian GIS-3D và xây dựng ứng dụng .
Trương Thị hạnh Phúc - chuyên ngành CNPM 9/92
CHƢƠNG 1.
BÀI TOÁN THỰC TẾ VÀ GIS 3D
1.1. GIS và tiềm năng ứng dụng trong ngành điện
Hệ thống thông tin địa lý (GIS-Geographical Information System) là một trong
những công nghệ mới, hiện đại được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành, nhiều
lĩnh vực ở khắp nơi trên thế giới nhằm hiện đại hóa công tác quản lý, xử lý, phân
tích, quy hoạch và tăng cường năng lực công tác cho bộ máy hành chính. Đối với
ngành điện, hiện nay dữ liệu đang bị phân tán và hầu hết đều quản lý trên giấy tờ,
chưa có một công cụ hữu hiệu phục vụ cho công tác quản lý vận hành, ra quyết
định, Vì vậy, hệ thống thông tin lưới điện khi được xây dựng hoàn chỉnh sẽ
cung cấp đầy đủ các thông tin về tất cả các thiết bị trong hệ thống, hỗ trợ cho
công tác quản lý kỹ thuật, quản lý vận hành, nhanh chóng phục vụ ra quyết định.
Dựa trên các chức năng của GIS là thu thập dữ liệu, lưu trữ, phân tích và hiển thị.
Những nghiên cứu trong và ngoài nước được ứng dụng trong thực tế đã đạt được
một số thành tựu đáng kể trong đó có nghành điện.
1.1.1. Một số ứng dụng GIS trong ngành điện ở nƣớc ngoài
Năm 1993, điện lực Liban (Electricité Du Liban - EDL) xây dựng bản đồ động,
phục vụ trong công tác quản lý của điện lực bằng công nghệ GIS. Dự án này có
tên là GISEL (GIS at Electricity of Lebanon) có thời gian thực hiện trong 4 năm.
Sau khi hoàn thành, GISEL cung cấp dịch vụ cho hơn 800.000 khách hàng trong
phạm vi phục vụ 10.000 km2.
Công ty Điện lực Bangkok, Thailand thực hiện dự án triển khai ứng dụng GIS
trong hệ thống truyền tải điện. Dự án thực hiện từ năm 1996 đến năm 2002, được
phân ra thành ba giai đoạn. Tổng cộng có 15 chi nhánh điện lực được ứng dụng
và phạm vị quản lý là 2639.91 km2.
Dự án ứng dụng GIS giám sát sự cố phục vụ cho 7 Công ty Điện lực của bang

New York và Bộ Công Ích (Departement of Public Service - DPS), Hoa Kỳ. Dự
án thực hiện từ năm 1999 đến năm 2001. Dự án này xây dựng hệ thống GIS giám
sát sự cố bao gồm: nhận thông tin, xử lý, phân tích và thông báo cho các đơn vị
liên quan để giải quyết sự cố trong thời gian sớm nhất, nhanh nhất.
Phân tích dữ liệu không gian GIS-3D và xây dựng ứng dụng .
Trương Thị hạnh Phúc - chuyên ngành CNPM 10/92
1.1.2. Ứng dụng GIS trong ngành điện ở Việt Nam
Năm 2003, Điện lực Thủ Đức nghiên cứu và ứng dụng GIS phục vụ công tác
quản lý tổn thất điện năng thông qua việc quản lý sơ đồ lưới điện và thông tin
khách hàng trên phần mềm Mapinfo. Kết quả, năm 2003 tổn thất là 5% thì đến
năm 2006 tổn thất đã giảm xuống, chỉ còn 4,19%. GIS đã đem lại hiệu quả rõ rệt.
Với mục tiêu ứng dụng công nghệ GIS vào việc quản lý và vận hành lưới điện
phân phối nhằm đem lại hiệu quả cao trong vận hành sản xuất, bắt nhập với xu
thế hiện đại hóa ngành Điện, thời gian qua việc ứng dụng GIS trong quản lý, vận
hành hệ thống điện đã được triển khai thí điểm tại một số đơn vị điện lực và
truyền tải điện. Tuy nhiên ở nước ta hầu hết các nghiên cứu và ứng dụng chỉ
được triển khai trên các phần mềm thương mại như: MapInfo, ArcGIS… Các
phần mềm này có nhiều tính năng mạnh, dễ sử dụng nhưng chi phí cao.
Việc sử dụng các công nghệ GIS nguồn mở, kết hợp với ứng dụng Web dễ dàng
khai thác qua Internet tạo ra cơ hội để nhiều người có thể sử dụng kho dữ liệu
không gian và các chức năng GIS mà không cần cài đặt thêm phần mềm GIS
chuyên dụng nào là một giải pháp nên được khuyến khích, nhằm phổ biến GIS
đến đông đảo người dùng. Sau một thời gian công tác trong ngành điện, tôi nhận
thấy có thể thử nghiệm phát triển một ứng dụng WebGIS hỗ trợ việc lựa chọn
bước đầu các phương án thiết kế hệ thống lưới điện.
1.2. Bài toán lựa chọn tuyến đƣờng dây truyền tải diện
Bài toán xây dựng hệ thống lưới điện là một bài toán phức tạp, nhất là tại các
vùng có địa hình không bằng phẳng, các vùng dân cư xen kẽ, thì việc thiết kế
lưới điện gặp rất nhiều khó khăn vì có nhiều yêu cầu kỹ thuật cần được thỏa mãn.
Việc lựa chọn sơ bộ các phương án khả thi cũng cần rất nhiều tính toán. Tiết

kiệm công sức và chi phí trong khâu này là vấn đề rất được quan tâm. Dưới đây
tình bày sơ bộ một số vấn đề kỹ thuật cần quan tâm của bài toán.
1.2.1. Mô tả hệ thống lƣới điện và các yêu cầu [4][5]
Dưới đây tình bày sơ bộ một số vấn đề kỹ thuật cần quan tâm của bài toán. Xây
dựng hệ thống lưới điện bao gồm các thành phần như sau:
Phân tích dữ liệu không gian GIS-3D và xây dựng ứng dụng .
Trương Thị hạnh Phúc - chuyên ngành CNPM 11/92
1) Trạm biến thế, trạm biến đổi dạng điện, trạm cắt điện và các thiết bị
phân phối điện.
2) Cột điện cao thế, trung thế và hạ thế.
3) Đường dây điện cao thế trên không.
Các thành phần của hệ thống lưới điện được phân loại như sau:
(1) Phân loại địa hình
- (T0) Đồng bằng không dân cứ (Ví dụ: qua ruộng đồng)
- (T1) Đồng bằng gần dân cư, nhiều nhà cao tầng, cây cối <= 4m
- (T2) Đồng bằng gần dân cư, nhiều nhà cao tầng, cây cối > 4m
- (T3) Địa hình nhiều sông hồ
- (T4) Địa hình nhiều đồi núi
(2) Phân loại cột điện:
- (P1) Cột H:
o (P1.1) Cột H chiều cao 6,5m;
o (P1.2) Cột H chiều cao 7,5m ;
o (P1.3) Cột H chiều cao 8,5m
- (P2) Cột bê tông ly tâm (cột tròn):
o (P2.1) Cột ly tâm chiều cao chiều cao 8,5m;
o (P2.2) Cột ly tâm chiều cao chiều cao 10m;
o (P2.3) Cột ly tâm chiều cao chiều cao 12m;
o (P2.4) Cột ly tâm chiều cao chiều cao 14m;
o (P2.5) Cột ly tâm chiều cao chiều cao 16m ;
- (P3) Cột sắt lắp ghép:

(3) Phân loại đường dây
(3.1) Phân loại đường dây theo điện áp
Phân tích dữ liệu không gian GIS-3D và xây dựng ứng dụng .
Trương Thị hạnh Phúc - chuyên ngành CNPM 12/92
- (L1) 500 KV
- (L2) 220 KV
- (L3) 100 KV
- (L4) 35 KV
- (L5) 10 KV
(3.2) Phân loại đường dây theo điểm xuất phát
- (TL1) Đường dây nối từ trạm biến áp tới cột điện
- (TL2) Đường dây nối hai cột điện
(4) Phân loại điện thế:
- (PT1) Cao thế
o (PT1.1) 66 KV
o (PT1.2) 110 KV
o (PT1.3) 220 KV
o (PT1.4) 500 KV
- (PT2) Trung thế
o (PT2.1) 22 KV
o (PT2.2) 35 KV
- (PT3) Hạ thế
o (PT3.1) 0.4 KV
Các yêu đặt ra với mỗi thành phần trong hệ thống lưới điện và yêu cầu tổng thể
của hệ thống được mô như bảng sau: (x: thỏa mãn; o: không thỏa mãn)

Loại cột điện
P1.1
P1.2
P1.3

P2.1
P2.2
P2.3
P2.4
P2.5
P3
Loại địa hình
T1
o
o
o
o
o
o
o
o
x
T2
o
o
o
o
o
o
o
o
o
T3
x
x

x
x
x
x
x
x
o
T4
x
x
x
x
x
x
x
x
o
Bảng 1.1: Quan hệ giữa loại cột điện với loại địa hình
Phân tích dữ liệu không gian GIS-3D và xây dựng ứng dụng .
Trương Thị hạnh Phúc - chuyên ngành CNPM 13/92

Cột điện
P1.1
P1.2
P1.3
P2.1
P2.2
P2.3
P2.4
P2.5

P3
Đường dây
L1
x
x
x
x
x
x
x
x
o
L2
x
x
x
x
x
x
x
x
o
L3
x
x
x
x
x
x
x

x
o
L4
o
o
o
o
o
o
o
o
x
L5
o
o
o
o
o
o
o
o
x
Bảng 1.2: Quan hệ giữ loại dây điện với cột điện
Điện thế
PT1.1
PT1.2
PT1.3
PT1.4
PT2.1
PT2.2

PT3.1
Loại đường dây
L3
L2
L2
L1
L4
L4
L5
Bảng 1.3: Quan hệ điện thế và phân loại đường dây


Cột điện


P1.1
P1.2
P1.3
P2.1
P2.2
P2.3
P2.4
P2.5
P3
Điện thế
PT1.1
x
x
x
x

x
x
x
x
o
PT1.2
x
x
x
x
x
x
x
x
o
PT1.3
x
x
x
x
x
x
x
x
o
PT1.4
x
x
x
x

x
x
x
x
o
PT2.1
o
o
o
o
o
o
o
o
x
PT2.2
o
o
o
o
o
o
o
o
x
PT3.1
o
o
o
o

o
o
o
o
x
Bảng 1.4: Quan hệ điện thế và cột điện
1.2.2. Lựa chọn công nghệ xây dựng ứng dụng
Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu xây dựng một ứng dụng dựa trên các công cụ
mã nguồn mở. Dưới đây là những công cụ nguồn mở WebGIS thường dùng.
(1) Apache 2.3 là một Web server mã nguồn mở và được hỗ trợ bởi
Apache Software Foundation.
(2) PHP 5.2.0 (PHP là viết tắt của Hypertext Preprocessor) là một ngôn
ngữ kịch bản hay một loại mã lệnh chủ yếu được dùng để phát triển các ứng dụng
viết cho máy chủ, mã nguồn mở.
(3) Mapserver 4.10.0 là một phần mềm cung cấp dịch vụ xử lý và hiển thị
bản đồ trên Internet. Là một phần mềm miễn phí, Mapserver được xây dựng dựa
trên nền mã nguồn mở và các phần mềm miễn phí phổ biến như: Shapelib,
FreeType, Proj 4, libTIFF, Perl …
Phân tích dữ liệu không gian GIS-3D và xây dựng ứng dụng .
Trương Thị hạnh Phúc - chuyên ngành CNPM 14/92
(4) PHP/Mapscript là ngôn ngữ kịch bản mà Mapserver hỗ trợ. Mapsript
cung cấp một môi trường tốt cho việc phát triển các ứng dụng kết hợp nhiều loại
ứng dụng khác nhau. Nếu dữ liệu có nhiều thành phần không gian thì ta có thẻ
nhận lại nó thông qua môi trường kịch bản, sau đó ta có thể vẽ thành bản đồ.
(5) PostgreSQL 8.3 là một hệ quản trị cơ sở dữ liệu quan hệ vạn năng mã
nguồn mở, có hỗ trợ các kiểu hình học, và các thao tác truy vấn trên các đối
tượng không gian.
(6) PostGIS 5.1.2 là phần mở rộng của PostgreSQL, cho phép các đối
tượng của GIS lưu trữ trong cơ sở dữ liệu PostgreSQL.
(7) Một số thư viện hỗ trợ: Gdal/OGR 1.3.2, Proj 4

(8) BOUML là một công cụ mô hình hóa UML miễn phí.
1.3. GIS-3D và phân tích không gian 3 chiều
1.3.1. Mô hình dữ liệu độ cao trong GIS
Mục đích cuối cùng của bản đồ là mô hình hoá thế giới thực. Trong cuốn sách
Nature of Maps của Robinson & Petchenik (1976) bản đồ được định nghĩa có sử
dụng một thuật ngữ là „milieu‟. Thuật ngữ „milieu‟ thú vị bởi hàm ý bản đồ
không riêng là tờ giấy phẳng và tĩnh yên như một tờ bản đồ giấy. Thật vậy,
chúng ta đã có nhiều cố gắng thể hiện bằng bản đồ những đối tượng có số chiều
nhiều hơn hai chiều (2D). Một trong những cố gắng đem lại một mô hình gần với
thực tế là việc thiết lập bản đồ ba chiều (3D). Hữu ích và thực tiễn, bản đồ 3D
luôn có sức hấp dẫn trong mọi ngành liên quan đến, nhất là trong lĩnh vực Công
nghệ Thông tin Địa lý (GIS).
Sự cần thiết của mô hình sô độ cao thể hiện trong rất nhiều ứng dựng thực tiễn, ví
dụ như những ứng dựng sau:
(1) Lưu trũ dữ liệu bản đồ số địa hình trong các cơ sở dữ liệu (CSDL)
quốc gia.
(2) Giải quyết tính toán đào đắp đất trong thiết kế đường và các dự án kỹ
thuật công trình khác.
Phân tích dữ liệu không gian GIS-3D và xây dựng ứng dụng .
Trương Thị hạnh Phúc - chuyên ngành CNPM 15/92
(3) Biểu thị ba chiều trực quan điều kiện địa hình có mục đích quân sự(
thiết kế hệ thống đạn đạo, huấn luyện phi công) và cho mục đích thiết kế
và quy hoạch cảnh quan (kiến trúc cảnh quan).
(4) Thiết kế xác định vị trí cho đường giao thông và cho đập nước.
(5) Tính toán và thành lập bản đồ độ dốc, bản đồ hướng dốc, bản đồ hình
dạng mái dốc để từ đó thành lập ảnh địa hình trực quan có hình bóng(ứng
dụng trong nghiên cứu tầng địa chất hay dự báo khả năng xói mòn đất và
dòng chảy mặt)…
1.3.2. Các loại dữ liệu về độ cao
Hiện nay, có vài tiêu chuẩn về dữ liệu độ cao nhưng điển hình vẫn là các kiểu dữ

liệu như Grid, TIN, hoặc DEM. Dưới đây sẽ trình bày về các loại dữ liệu này
trong các hệ GIS
1.3.2.1. Lƣới độ cao (Grid)
Đây là một tệp dùng để lưu trữ các giá trị về độ cao, có đuôi là .grd. Theo tiêu
chuẩn của ESRI, tệp .grd có 2 định dạng, đó là dạng mã nhị phân và ASCII. Theo
dạng ASCII thì tệp .grd có cấu trúc như sau:
Dòng đầu tiên của tệp có 3 số: lon_min, d_lon, lon_max; tức là kinh độ nhỏ nhất,
khoảng cách, kinh độ lớn nhất.
Dòng thứ hai của tệp có 3 số: lat_min, d_lat, lat_max; tức là vĩ độ nhỏ nhất,
khoảng cách, vĩ độ lớn nhất. Các tham số trên cho phép xác định một lưới điểm
hình chữ nhật.
Bắt đầu từ dòng thứ 3 là dữ liệu về độ cao. Theo đó mỗi độ cao tương ứng với
một toạ độ nhất định. Lưới có bao nhiêu điểm thì có bấy nhiêu mục dữ liệu độ
cao
Nếu như lưới được xác định theo kinh độ và vĩ độ thì lon_min, d_lon, lon_max,
lat_min, d_lat, lat_max phải có đơn vị theo độ (thí dụ 24º17'5" có thể đổi thành
24.2847 độ). Kinh độ Đông có dấu +, kinh độ Tây có dấu -, vĩ độ Bắc mang dấu
+, vĩ độ Nam mang dấu
Phân tích dữ liệu không gian GIS-3D và xây dựng ứng dụng .
Trương Thị hạnh Phúc - chuyên ngành CNPM 16/92
Nếu lưới được xác định theo khoảng cách (x,y), tức theo hệ toạ độ Đề-các thì 6
tham số trên có thể xác định theo các đơn vị: kilômet, mét, xentimet, dặm, hoặc
phút. Tuy nhiên cần phải đưa vào toạ độ và khoảng cách thực tế.
Quá trình đọc dữ liệu độ cao bắt đầu từ điểm đầu tiên của dòng thứ 3 là điểm
thuộc góc trên-trái có vĩ độ lớn nhất và kinh độ nhỏ nhất, đi dần từ trái sang phải
(làm tăng kinh độ và làm giảm vĩ độ). Sau đó xuống dòng thứ 4 và cũng đi từ trái
sang phải. Cứ như vậy cho đến hết tệp.
Số lượng giá trị trên mỗi dòng là không quan trong, một dòng có thể chứa một
số. Số dòng của của tệp (không bao gồm 2 dòng đầu) là 1 + (lon_max - lon_min)/
d_lon.

Ví dụ:
-152 0.0833333 -151
63 0.0833333 64
+244 +244 +275 +305 +305 +305 +305 +305 +244 +244 +228
+259 +259 +274 +289 +289 +289 +282 +274 +275 +305 +358
+274 +274 +274 +274 +274 +274 +259 +244 +305 +366 +488
…
Trong ví dụ trên dấu + có thể bỏ đi, nhưng dấu - thì cần phải giữ lại.
1.3.2.2. Dữ liệu dạng mô hình mạng tam giác không đều
(TIN – Triangulated irregular network).
Mô hình TIN biểu diễn một tập hợp các bề mặt kề nhau xác định bởi các tam
giác không chồng lên nhau. Mỗi tam giác là một bề mặt. Các tam giác được tạo
nên bởi tập hợp các điểm, các điểm này gọi là các điểm khối lượng (mass points).
Các điểm khối lượng này có thể được chọn là bất kì nơi nào trên bề mặt trái đất.
Tuy nhiên cách chọn các điểm khối lượng thích hợp làm tăng độ chính xác của
mô hình bề mặt. Thông thường các điểm này thường được chọn là những điểm
Phân tích dữ liệu không gian GIS-3D và xây dựng ứng dụng .
Trương Thị hạnh Phúc - chuyên ngành CNPM 17/92
thay đổi chính của bề mặt ví dụ như đỉnh núi, đáy của thung lũng, cạnh của các
vách đá,…
Mô hình TIN hấp dẫn bởi tính đơn giản và tiết kiệm hơn nhiều so với mô hình
Grid thông thường.

Hình 1.1: Hình minh họa mô hình mạng tam giác không đều
1.3.2.3. Phép tam giác đạc Delaunay (Delaunay Triangulation)
Nguyên tắc của phương pháp này là ba điểm gần nhau sẽ tạo nên một tam giác
mà hình tròn đi qua ba đỉnh của tam giác đó không chứa điểm thứ 4.

Hình 1.2: Hình minh hoạ phép tam giác đạc Delaunay.
Phân tích dữ liệu không gian GIS-3D và xây dựng ứng dụng .

Trương Thị hạnh Phúc - chuyên ngành CNPM 18/92
Phép đạc đa giác này có ưu điểm là:
- Tránh được việc tạo nên các tam giác gầy dài.
- Đảm bảo các điểm tạo nên tam giác có thể gần nhau nhất.
- Không phụ thuộc vào trật tự của các điểm [6].
1.3.3. Các chuẩn cho các mô hình độ cao số của USGS
Cục đo đạc địa hình địa lý của Mỹ (The U.S Geological Survey), viết tắt là
USGS được chọn là cơ quan hàng đầu của liên bang Mỹ trong việc sưu tập và
phân phát những dữ liệu bản đồ số. Cơ quan này đã đề ra các chuẩn về sưu tập,
xử lý, và kiểm soát chất lượng của dữ liệu cho mô hình độ cao số (DEM) được
dùng cho cơ sở dữ liệu bản đồ số quốc gia của Mỹ (National Digital Cartographic
Data Base-NDCDB).
Những tiêu chuẩn này liên quan đến khả năng thay đổi và sử dụng dữ liệu DEM.
Sưu tập DEM và các hệ thống chỉnh sửa, không chỉ được sử dụng trong khu vực
liên bang (Federal) mà còn được sử dụng trong chính phủ và các tổ chức khác.
Bởi sự thay đổi về mặt công nghệ một cách nhanh chóng trong các nghành công
nghiệp bản đồ, các chuẩn DEM là sự tổng hợp của các hệ thống sưu tập, các công
nghệ xử lý số liệu với những mức độ khác nhau. Mục đích của chuẩn này là đảm
bảo thống nhất dữ liệu được đưa vào trong NDCDB.
Dữ liệu DEM được chọn lựa bởi các cơ quan liên bang khác, hoặc mua từ các tổ
chức cá nhân và sẽ được đưa vào NDCDB sau khi được kiểm tra dựa trên các
chuẩn [13].
1.3.4. Mô hình số độ cao DEM
1.3.4.1. Dữ liệu DEM là gì?
Mô hình độ cao số (DEM) là một tệp chứa đựng các dãy giá trị độ cao sử dụng
phép chiếu UTM hoặc là phép chiếu toạ độ nào đó. Một mảnh địa hình được xác
định ở dạng hình tứ giác và một lưới xác định sẽ được phủ lên mảnh địa hình đó.
Mỗi mắt lưới sẽ xác định một độ cao của mảnh địa hình đó [15].
Phân tích dữ liệu không gian GIS-3D và xây dựng ứng dụng .
Trương Thị hạnh Phúc - chuyên ngành CNPM 19/92

Đơn vị giây cung (arc-second)
Dữ liệu DEM USGS được lưu giữ trong một định dạng sử dụng đơn vị đo 3, 5,
hoặc 30 giây cung (arc-second) của kinh độ và vĩ độ để đăng kí các giá trị ô. Hệ
thống địa lý xem trái đất như một quả cầu được chia thành 360 phần theo kinh
độ và vĩ độ, mỗi phần coi là một độ. Mỗi độ chia thành 60 phút. Mỗi phút chia
thành 60 giây. Nói một cách khác, trái đất được chia thành 360 cung kinh độ và
360 cung vĩ độ, và giữa hai cung kinh độ hoặc hai cung vĩ độ là 60 giây cung
(arc-second). Như vậy mỗi giây cung có giá trị (độ dài) là 1/3600 độ [13].
1.3.4.2. Các kiểu dữ liệu DEM
USGS sản xuất ra năm kiểu dữ liệu DEM cơ bản, đó là:
(1) DEM 7.5-phút (7.5-minute DEM).
Là một kiểu dữ liệu có khoảng cách lưới lên tới 30 mét, và có lưới chiếu toạ độ là
UTM. Khoảng cách chiều ngang của lưới được biểu diễn bởi số nguyên từ 1 đến
30 theo đơn vị là mét. Nếu không thì theo lý thuyết có thể cho khoảng cách đó là
10 mét hoặc 30 mét. Bề mặt địa hình được bao phủ bởi các khối dữ liệu DEM
7.5. Các khối này là các khối hình tứ giác. Với lý do đó cùng với việc một vùng
đất nào đó thường là các đường cong khép kín cho nên khi biểu diễn độ cao của
một vùng nào đó bới các dữ liệu loại này thường biểu diễn sang cả một phần của
vùng lân cận.
(2) DEM 30-Phút (30-minute DEM)
Là kiểu dữ liệu có khoảng cách giữa hai điểm dữ liệu độ cao là 2 giây cung. Hai
khối 30-phút DEM cung cấp độ bao phủ đối với một mảnh địa hình tứ giác mà
mỗi cạnh là 60-phút theo tiêu chuẩn của USGS.
(3) DEM 1-độ
Là kiểu dữ liệu mà khoảng cách giữa hai điểm độ cao là 3 giây cung. Mô hình độ
cao cơ bản này được sản xuất bởi Cơ quan Bản đồ và hình ảnh quốc gia Mỹ-
National Imagery and Mapping Agency (NIMA), trước đây là Cơ quan bản đồ
quốc phòng-Defense Mapping Agency. Dữ liệu được phân phối bởi USGS trong
định dạng DEM.
Phân tích dữ liệu không gian GIS-3D và xây dựng ứng dụng .

Trương Thị hạnh Phúc - chuyên ngành CNPM 20/92
(4) DEM 7.5-phút Alaska
Là kiểu dữ liệu mà khoảng cách giữa hai điểm dữ liệu là 2 giây cung. Kiểu dữ
liệu này cung cấp độ bao phủ tương tự như 7.5-phút DEM. Đây là một loại dữ
liệu biểu diễn độ cao đối với vùng Alaska.
(5) DEM 15-phút Alaska
Là kiểu dữ liệu mà khoảng cách giữa hai điểm độ cao là 3 giây cung. Đây là loại
dữ liệu biểu diễn độ cao đối với vùng Alaska.
1.3.4.3. Cấu trúc của dữ liệu độ cao
Có hai loại lưới, UTM và giây cung, đã được sử dụng cho chương trình USGS
DEM.
(1) Cấu trúc DEM UTM (UTM structured DEM)
Cấu trúc của kiểu dữ liệu DEM 7.5-phút UTM được chỉ ra trong hình 1.3. Các
đường profile (hiện trạng) được cắt cụt thành các đường thẳng bởi các đường
thẳng nối bốn góc địa lý của hình tứ giác. Kết quả là vùng được bao phủ là một
vùng hình tứ giác. Hai cặp cạnh của hình tứ giác này không song song với nhau.
Khoảng cách giữa hai đường profile là
x
. Các điểm độ cao được xác định trên
các đường profile này với khoảng cách giữa hai điểm là
y
.
Ví dụ:
Một mảnh địa hình hình tứ giác có 4 góc toạ độ là :

Góc của hình tứ giác
Các toạ độ địa lý
Các toạ độ UTM
SW 1
35 30'

-107 37‟30"
261897
3931463
NW 2
35 37‟30"
-107 37‟30"
262267
3945330
NE 3
35 37‟30"
-107 30‟
273590
3945036
SE 4
35 30‟
-107 30‟
273238
3931169
Phân tích dữ liệu không gian GIS-3D và xây dựng ứng dụng .
Trương Thị hạnh Phúc - chuyên ngành CNPM 21/92
x
=30m (hướng Đông)
y
= 30m (hướng Bắc).
= Điểm độ cao sát kề
hình tứ giác.
= Điểm độ cao.
= Điểm đầu tiên của
profile.
= Góc của đa giác

DEM.



Hình 1.3: Cấu trúc DEM 7.5 phút UTM, khoảng cách giữa các mắt lưới
độ cao tính theo mét.
(2) Cấu trúc DEM giây cung (Arc second structure DEM)
Cấu trúc của kiểu dữ liệu DEM giây cung được chỉ ra trong hình 1.4. Theo cấu
trúc này các đường bao của mảnh địa hình sẽ tạo thành một hình chữ nhật và các
đường profile song song với hai cạnh của hình chữ nhật chạy dọc theo kinh độ.
Khoảng cách giữa hai đường profile là
x
. Các điểm độ cao được xác định trên
các đường profile này với khoảng cách giữa hai điểm là
y
. Do vậy dữ liệu
DEM dạng này sẽ bao phủ một vùng có dạng hình chữ nhật.
Việc sử dụng các toạ độ giây cung để xác định khoảng cách giữa các mắt lưới
(hay các điểm độ cao) là bắt buộc đối với tất cả các loại dữ liệu DEM, ngoại trừ
loại DEM 7.5-phút UTM.




Phân tích dữ liệu không gian GIS-3D và xây dựng ứng dụng .
Trương Thị hạnh Phúc - chuyên ngành CNPM 22/92

x
= 3 giây cung.
y

= 3 giây cung.
= Điểm độ cao
= Điểm đầu tiên của
profile.
= Góc của đa giác
DEM


Hình 1.4: Cấu trúc của DEM 1-độ, khoảng cách giữa các mắt lưới độ cao
tính theo giây cung [13]
1.3.4.4. Mô hình hóa địa hình bằng DEM
Bất kỳ sự biểu thị bằng số sự thay đổi liên tục của độ cao trong không gian đều
được gọi là mô hình số độ cao (Digital Elevation Model – DEM). Nó có thể là độ
cao tuyệt đối của các điểm trên bề mặt quả đất, độ cao của các tầng đất, hoặc của
mực nước ngầm.
Sự biến đổi giá trị độ cao địa hình trên một vùng đất có thể được mô hình hóa
theo nhiều cách. DEM có thể được biểu thị và lưu trữ dưới dạng hàm số toán học
ba chiều (Phương pháp mặt phẳng) hay dưới dạng các điểm hoặc các đường hình
ảnh như liệt kê ở dưới.
(1) Phương pháp toán học
+ Toàn vùng:
- Dãy Fourier
- Đa thức bậc bốn bội
Phân tích dữ liệu không gian GIS-3D và xây dựng ứng dụng .
Trương Thị hạnh Phúc - chuyên ngành CNPM 23/92
+ Chi tiết:
- Chia vùng đồng đều
- Chia vùng không đồng đều
(2) Phương pháp vật thể bản đồ
+ Đường đồng mức (đường bình độ ngang)

Hình 1.5. Bản đồ đường đồng mức với khoảng cách độ cao 5m
+ Đường mặt cắt dọc

Hình 1.6. Biểu diễn mặt cắt dọc của DEM
+ Raster: Ma trận độ cao hay mạng lưới đều (regular rectangular grid –
GRID)
Phân tích dữ liệu không gian GIS-3D và xây dựng ứng dụng .
Trương Thị hạnh Phúc - chuyên ngành CNPM 24/92

Hình 1.7. Biểu diễu diễn DEM bằng lưới đa giác đều
+ Vector: Mạng không đồng đều tam giác (triangular irregular network –
TIN)

Hình 1.8. Lưới đa giác không đều

Hình 1.9. Sử dụng TIN để biểu diễn sự biến động độ cao của địa hình
Phân tích dữ liệu không gian GIS-3D và xây dựng ứng dụng .
Trương Thị hạnh Phúc - chuyên ngành CNPM 25/92
Biểu diễn DEM bằng Raster (Ma trận độ cao)
Trong mô hình Raster DEM (GRID) nhìn giống như một ma trận các ô vuông và
chia thành các hàng và cột. Mỗi ô (cell) chứa giá trị độ cao của điểm trung tâm
của ô đó.

Hình 1.10. Biểu diễn DEM bằng ma trận độ cao
Biểu diễn DEM bằng Vector
Trong cấu trúc Vector, DEM có thể được coi như là một chuỗi tam giác gọi là
TIN (Triangle Irregular Network). TIN là tập các đỉnh nối với nhau thành các
tam giác Mỗi một tam giác được giới hạn bởi 3 điểm đồng nhất về giá trị X,Y và
Z (độ cao).

Hình 1.11. Biểu diễn mô hình độ cao bằng lưới tam giác.
Phân tích dữ liệu không gian GIS-3D và xây dựng ứng dụng .
Trương Thị hạnh Phúc - chuyên ngành CNPM 26/92
1.3.5. Phân tích dữ liệu không gian GIS-3D
1.3.5.1. Khái niệm
Phân tích dữ liệu không gian là quá trình mô hình hoá, kiểm tra, diễn giải các kết
quả mô hình. Phân tích dữ liệu không gian thường dùng trong đánh giá khả năng
phù hợp, trong ước lượng và dự đoán, trong giải đoán và diễn giải.
Phân tích dữ liệu không gian bao gồm ba hoạt động chính: Giải quyết các câu hỏi
về thuộc tính, các câu hỏi về Phân tích dữ liệu không gian và tạo nên tập dữ liệu
mới từ cơ sở dữ liệu ban đầu. Mục tiêu của việc Phân tích dữ liệu không gian là
từ việc giải quyết các câu hỏi đơn giản về các hiện tượng, các vấn đề trong không
gian, đi đến tập hợp các thuộc tính của một hay nhiều lớp và phân tích có sự liên
quan giữa các dữ liệu ban đầu.
Các thao tác Phân tích dữ liệu không gian làm việc trên tập dữ liệu không gian
(spatial data): là những thông tin về vị trí, hình dạng của các đối tượng không
gian và mối quan hệ giữa chúng. Dữ liệu không gian thường được lưu dưới dạng
toạ độ và cấu trúc liên kết.
1.3.5.2. Phân biệt phân tích dữ liệu không gian GIS với các loại phân tích
khác
Phân tích dữ liệu không gian có thể xem như là phân tích dữ liệu định lượng và
tập trung vào phần không gian để dự đoán hoặc điều tra các hiện tượng. Trong
loại phân tích này, các đặc tính địa lý được sử dụng để xác định toạ độ địa lý
trong khi các phân tích thống kê cổ điển bỏ qua các toạ độ và các thuộc tính địa
phương không được dùng để biểu diễn thông tin. Và do vậy, trong các phân tích
thống kê cổ điển, các quan hệ tương quan về mặt không gian thường được bỏ
qua, trong khi trong Phân tích dữ liệu không gian nếu tồn tại tương quan này thì
có nghĩa là có các đối tượng không gian.
Một phân biệt nữa mà chúng ta cần chú ý là giữa phân tích 3D thông thường và

Phân tích dữ liệu không gian 3D. Nói chung, hai loại phân tích này là khá gần
nhau do cùng làm việc trên không gian 3 chiều. Tuy nhiên, Phân tích dữ liệu
không gian gắn với một hệ toạ độ nhất định còn phân tích 3D thông thường thì
không. Trong phân tích không gian, ảnh ở dạng bản đồ 3D cụ thể và tuân theo
các đặc điểm cơ bản về bản đồ nói chung. Còn trong phân tích 3D, ảnh chỉ là