Mô hình hóa bản đồ ba chiều và ứng dụng

Mô hình hóa bản đồ ba chiều và ứng dụng

Nguyễn Ngọc Vũ

Trường Đại học Công nghệ
Luận văn ThS. Chuyên ngành: Công nghệ thông tin; Mã số: 60 48 05
Người hướng dẫn: PGS.TS. Đặng Văn Đức
Năm bảo vệ: 2010

Abstract: Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin địa lý trên không gian ba chiều (3D GIS):
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). Chương 2: Các phương pháp biểu diễn bản đồ ba chiều: 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 3: Bản đồ địa hình ba chiều và cài đặt thử nghiệm: 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
Keywords: Bản đồ ba chiều; Không gian ba chiều; Hệ thống thông tin địa lý
Content:

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 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 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 tượng 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.
Phương 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.
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:
 Chương 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).
 Chương 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.
 Chương 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.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1. Nguyễn Thị Thục Anh, Nguyễn Thơ Các, Vũ Văn Chất, Tăng Quốc Cương, Trần Tuấn
Ngọc, Đặng Thị Liên, Vũ Thị Tuyết, Phạm Thị Luyến (2006), Nghiên cứu và thử nghiệm
thành lập bản đồ địa hình 3D, Kỷ yếu Các đề tài nghiên cứu Khoa học - Công nghệ giai
đoạn 2002 – 2006, Bộ Tài nguyên và Môi trường.
2. Hồ Đình Duẩn, Lê Trung Chơn, Đặng Quốc Trung (2008), Cơ sở toán học của GIS 3D

và các ứng dụng, Hội trắc địa Bản đồ TP. Hồ Chí Minh.
3. Đặng Văn Đức (2001), Hệ thống thông tin địa lý, NXB Khoa học và Kỹ thuật.
4. Đặng Văn Đức (2001), Một số vấn đề về GIS 3D, Đề tài cấp cơ sở, Viện Công nghệ
thông tin, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
5. Lê Quốc Hưng, Đặng Văn Đức, Nguyễn Tiến Phương, Đặng Quốc Hữu (2002), Biểu diễn
bản đồ 3 chiều và ứng dụng, Tạp chí Khoa học và Công nghệ, 40 (Số đặc biệt kỷ niệm 40
năm thành lập Tạp chí Khoa học và Công nghệ (1962-2002)), tr. 105-114.
6. Lương Chính Kế , Thành lập DEM/DTM DSM bằng công nghệ LiDAR, Viện Đo ảnh và
Bản đồ, ĐH Bách Khoa Vacsava.
7. Báo cáo kết quả thực hiện dự án xây dựng mô hình số độ cao bằng công nghệ LiDAR khu
vực thành phố Cần Thơ, Trung tâm Viễn thám Quốc gia, Bộ Tài nguyên và Môi trường.
Tiếng Anh
8. A. Abdul-Rahman, M. Pilouk (2008), Spatial Data Modelling for 3D GIS, Springer
Berlin Heidelberg NewYork.
9. Alias Abdul Rahman, Sisi Zlatanova, Morakot Pilouk , The 3D GIS Software
Development: global efforts from researchers and vendors.
10. YANG Bisheng, LI Qingquan, LI Deren (1999), Building Modelling For 3D City Model,
Geo-spatial Information Science, Vol.2, No.l, pp. 109-114.
11. Thomas H. Kolbe, Representing and Exchanging 3D City Models with CityGML, Chapter
2.
12. ZHU Qing, HU Mingyuan, ZHANG Yeting, DU Zhiqiang (2009), Research and Practice
in Three-Dimensional City Modeling, Geo-spatial Information Science, Volume 12, Issue
1, pp. 18-24.
13. Siyka Zlatanova, Alias Abdul Rahman, Morakot Pilouk, Trends in 3D GIS development.
14. LUIS M. FUENTES, Javier Finat, Juan J.Fernández, Jesús I. San José , Using Laser
Scanning for 3D Urban Modelling.
15. Chen Tet-Khuan, Alias Abdul-Rahman, Sisi Zlatanova, 3D Spatial Operations in Geo
DBMS Environment for 3D GIS.
16. Ajmal S. Mian, M. Bennamoun, R. A. Owens, A Novel Algorithm for Automatic 3D
Model-based Free-form Object Recognition.

17. Shu-KaiYang, Chin-ChenChang, Ding-ZhouDuan, Ming-FenLin, A novel progressive
modelling algorithm for 3D models.
18. Tien-Yin Chou, Lan-Kun Chung, Wen-Yuan Ku, Wei-Yuan Lo, An Implementation of
3D GIS on web.
19. Dave Pegg, Design Issues with 3D Maps and the Need for 3D Cartographic Design
Principles.
20. Volker Steinhage, Jens Behley, Steffen Meisel, Armin B. Cremers, Automated Updating
and Maintenace of 3D City Models.
Website
21.
22.
23.
24.
25.
26.
27.
28.
29.
30.
31.
32.
33.