Ứng dụng GIS xây dựng mô hình 3d phục vụ quy hoạch không gian đô thị thành phố thái nguyên, tỉnh thái nguyên

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM
--------------------

PHẠM VĂN DUY

Tên đề tài:
"ỨNG DỤNG GIS XÂY DỰNG MÔ HÌNH 3D PHỤC VỤ QUY
HOẠCH KHÔNG GIAN ĐÔ THỊ THÀNH PHỐ THÁI NGUYÊN,
TỈNH THÁI NGUYÊN"

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Hệ đào tạo

: Chính quy

Chuyên ngành

: Địa chính môi trường

Khoa

: Quản lý tài nguyên

Lớp

: K42 – ĐCMT N02

Khóa học

: 2010 - 2014

Thái Nguyên, năm 2014



LỜI CẢM ƠN
Thực tập tốt nghiệp là giai đoạn cuối cùng của quá trình đào tạo tại các
trường Đại học. Đây là thời goan giúp cho mỗi sinh viên làm quen với công tác
nghiên cứu khoa học, củng cố kiến thức lý thuyết và vận dụng những kiến thức
đó vào thực tế, là kết quả của quá trình tiếp thu kiến thức thực tế, qua đó giúp
cho sinh viên tích lũy kinh nghiệm để phục vụ cho quá trình công tác sau này.
Đề đạt được mục tiêu trên, được sự nhất trí của khoa Quản Lý Tài
Nguyên, trường Đại học Nông Lâm Thái Nguyên, tôi đã tiến hành nghiên cứu
chuyên đề: “Ứng dụng GIS xây dựng mô hình 3D phục vụ quy hoạch
không gian đô thị thành phố Thái Nguyên, tỉnh Thái Nguyên”.
Để hoàn thành khóa luận này trước tiên tôi xin trân trọng cảm ơn Ban
giám hiệu Nhà trường, Ban chủ nhiệm khoa Quản Lý Tài Nguyên, cảm ơn các
thầy cô giáo truyền đạt cho tôi những kiến thức quý báu trong suốt quá trình
học tập và rèn luyện tại Trường Đại học Nông Lâm Thái Nguyên.
Tôi đặc biệt xin trân trọng cảm ơn sự hướng dẫn tận tình, sự quan tâm
sâu sắc của cô giáo Th.S Ngô Thị Hồng Gấm, cảm ơn tập thể cán bộ khoa
Quản Lý Tài Nguyên, trường Đại học Nông Lâm Thái Nguyên đã tạo điều
kiện cho tôi trong quá trình thực hiện chuyên đề.
Cuối cùng tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình, bạn bè và người thân
đã quan tâm giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập.
Trong quá trình nghiên cứu do có những lý do chủ quan và khách quan
nên khóa luận không tránh khỏi những thiếu sót và hạn chế. Tôi rất mong
nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo và các bạn sinh viên để
giúp tôi hoàn thành khóa luận được tốt hơn.

Tôi xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên, tháng 6 năm 2014
Sinh viên

Phạm Văn Duy


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt
Cty TNHH

Giải thích
: Công ty trách nhiệm hữu hạn

Digital Elevation Model – DEM : Mô hình số hoá độ cao.
PCCC

: Phòng cháy chữa cháy

QL

: Quốc lộ

UBND

: Uỷ ban nhân dân


DANH MỤC BẢNG
Bảng 4.1: Tổng diện tích thành phố Thái Nguyên năm 2012………………26

Bảng 4.2: Bảng thuộc tính thể hiện thông tin lớp nhà ................................... 34
Bảng 4.3: Bảng thuộc tính thể hiện thông tin lớp Cây xanh .......................... 34
Bảng 4.4: Bảng thuộc tính thể hiện thông tin lớp giao thông ........................ 34
Bảng 4.5: Bảng dữ liệu thuộc tính của lớp cây xanh ..................................... 37
Bảng 4.6: Bảng dữ liệu thuộc tính của lớp nhà ............................................. 37
Bảng 4.7: Bảng dữ liệu thuộc tính đường ..................................................... 37


DANH MỤC HÌNH
Hình 2.1. Các thành phần của GIS.................................................................. 6
Hình 2.2. Vật thể ba chiều được biểu diễn bằng mô hình khung nối kết ....... 10
Hình 2.3 : Giao diện chính của Google Sketchup Pro – 2013 ....................... 11
Hình 3.1: Quy trình thực hiện xây dựng mô hình 3D phục vụ quy hoạch
không gian đô thị thành phố Thái Nguyên .................................... 17
Hình 4.1: Bản đồ hành chính thành phố Thái Nguyên .................................. 19
Hình 4.2: Sơ đồ quy trình xây dựng mô hình 3D trên Gis ............................. 32
Hình 4.3: Bản đồ địa chính thành phố Thái Nguyên tỷ lệ 1:500, trích khu vực
nghiên cứu. .................................................................................. 33
Hình 4.4: Bản đồ hiện trạng thành phố Thái Nguyên tỷ lệ 1:500, trích khu
vực nghiên cứu ............................................................................. 33
Hình 4.5: Lớp cây xanh ................................................................................ 35
Hình 4.6: Lớp giao thông ............................................................................. 36
Hình 4.7: Lớp thửa đất. ................................................................................ 36
Hình 4.8: Sơ đồ quy trình xây dựng mô hình 3D trên Arcgis ........................ 38
Hình 4.9: Dữ liệu tạo TIN khi đưa lên Arcmap............................................. 40
Hình 4.10: Mô hình TIN ............................................................................... 41
Hình 4.11: Mô hình DEM sau khi được TIN to Raster theo vùng nghiên cứu.............. 41
Hình 4.12 : Dữ liệu cây xanh trên Arcscene ................................................. 42
Hình 4.13: Mô hình cây xanh trên ArcScene ................................................ 43
Hình 4.14: Dữ liệu 3D của lớp nhà ............................................................... 44

Hình 4.15: Mô hình 3D nhà, công trình trên ArcScene ................................. 44
Hình 4.16: Mô hình 3D nhà và các công trình theo số tầng .......................... 45
Hình 4.17: Mô hình 3D hiển thị theo mục đích sử dụng đất của thành phố
Thái Nguyên ................................................................................ 45
Hình 4.18: Mô hình của một sô công trình có kiến trúc đặc biệt ................... 46
Hình 4.19: Lớp đường và lớp, cây xanh trên nền địa hình DEM ................... 47
Hình 4.20: Mô hình 3D khu vực nghiên cứu phục vụ quy hoạch không gian
đô thị thành phố Thái Nguyên ...................................................... 48
Hình 4.21 : Giao diện Acgoble 10.0 ............................................................. 50
Hình 4.22: Mô hình 3D khu vực nghiên cứu trên Arcgoble 10.0 .................. 50
Hình 4.23 :Quy trình thực hiện trên Google Sketchup Pro2013 .................... 51
Hình 4.24 : Kết quả sau khi dựng công trình ................................................ 52
Hình 4.25 : Phối cảnh không gian khu đô thị Hồ Xương Rồng ..................... 53
Hình 4.26: Phối cảnh không gian tương lai của khu đô thị Hồ Xương Rồng. 54
Hình 4.27 : Kết quả tìm kiếm theo thuộc tính số tầng ................................... 55
Hình 4.28: Kết quả cập nhật thông tin số tầng .............................................. 56


MỤC LỤC
Trang
PHẦN 1: MỞ ĐẦU................................................................................................................ 1
1.1.Tính cấp thiết của đề tài ............................................................................ 1
1.2. Mục đích, yêu cầu, ý nghĩa ...................................................................... 2
1.2.1. Mục đích nghiên cứu ............................................................................ 2
1.2.2. Yêu cầu của đề tài ................................................................................ 2
1.2.3. Mục tiêu ............................................................................................... 2
PHẦN 2: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU........................................... 3
2.1. Tổng quan về quy hoạch không gian đô thị ............................................. 3
2.1.1 Khái niệm về quy hoạch không gian đô thị ............................................ 3
2.1.2 Những hoạt động cụ thể liên quan đến quy hoạch không gian đô thị ..... 3

2.1.3.Bộ khung pháp lý cho các quy hoạch không gian đô thị ở Việt Nam ..... 3
2.1.4.Thực trạng quy hoạch không gian đô thị tại Việt Nam .......................... 4
2.2. Tổng quan về công nghệ GIS .................................................................. 5
2.2.1. Kiến thức cơ bản về GIS ....................................................................... 5
2.2.2. Tổng quan về công nghệ Gis 3D ........................................................... 8
2.3. Google Skechup Pro – 2013 .................................................................. 11
2.4. Một số ứng dụng của mô hình địa hình số 3D........................................ 12
2.4.1. Các ứng dụng trong việc giám sát và phát hiện tài nguyên.................. 12
2.4.2. Các ứng dụng trong xây dựng cơ sở hạ tầng và viễn thông ................. 12
2.4.3. Các ứng dụng trong lĩnh vực quốc phòng ........................................... 13
PHẦN 3: ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.... 15
3.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .......................................................... 15
3.1.1. Đối tượng ........................................................................................... 15
3.1.2. Phạm vi nghiên cứu ............................................................................ 15
3.2. Địa điểm và thời gian nghiên cứu .......................................................... 15
3.2.1. Địa điểm ............................................................................................. 15
3.2.2. Thời gian ............................................................................................ 15


3.3. Nội dung nghiên cứu ............................................................................. 15
3.4. Phương pháp nghiên cứu ....................................................................... 16
3.4.1. Phương pháp điều tra, thu thập số liệu ................................................ 16
3.4.2. Phương pháp phân tích và xây dựng bản đồ số ................................... 16
3.4.3. Phương pháp điều tra, khảo sát thực địa ............................................. 16
3.4.4 Quy trình thực hiện .............................................................................. 17
PHẦN 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN......................................... 18
4.1. Điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội của khu vực thành phố Thái Nguyên 18
4.1.1. Về điều kiện tự nhiên.......................................................................... 18
4.1.2 Đặc điểm về kinh tế, xã hội ................................................................. 21
4.2. Tình hình quản lí và sử dụng đất của thành phố Thái Nguyên ............... 25

4.2.1. Thực trạng sử dụng đất của thành phố Thái Nguyên ........................... 25
4.2.2. Tình hình quản lí sử dụng đất của thành phố Thái Nguyên ................. 27
4.3. Tình hình quy hoạch và xây dựng không gian đô thị của thành phố Thái
Nguyên ......................................................................................................... 29
4 3.1. Đánh giá thực hiện quy hoạch chung .................................................. 29
4.3.2. Định hướng phát triển không gian đô thị Thành phố Thái Nguyên ..... 30
4.4. Xây dựng mô hình 3D phục vụ cho quy hoạch không gian đô thị thành
phố Thái Nguyên .......................................................................................... 32
4.3.1. Quy trình xây dựng mô hình 3D trong GIS ......................................... 32
4.3.2. Nguồn dữ liệu đầu vào cần thiết ......................................................... 32
4.3.3. Cơ sở dữ liệu thuộc tính và không gian để xây dựng mô hình 3D phục
vụ cho quy hoạch không gian đô thị thành phố Thái Nguyên ....................... 34
4.4. Quy trình xây dựng mô hình 3D phục vụ cho quy hoạch không gian đô
thị thành phố Thái Nguyên ........................................................................... 38
4.4.1. Tạo mô hình số độ cao DEM cho khu vực nghiên cứu........................ 38
4.4.2. Xây dựng mô hình 3D phục vụ cho quy hoạch đô thị của thành phố
Thái Nguyên................................................................................................. 42


4.4.3. Mô hình 3D các công trình trên địa bàn nghiên cứu............................ 46
4.4.4. Hoàn chỉnh dữ liệu 3D với mô hình DEM .......................................... 46
4.5 Ứng dụng mô hình 3D trên một số phần mềm ........................................ 49
4.5.1 Hiển thị mô hình 3D trên ArcGoble ..................................................... 49
4.5.2. Phối cảnh không gian đô thị Hồ xương rồng phục vụ quy hoạch không
gian đô thị bằng Google Sketchup Pro- 2013................................................ 51
4.5.3 Hiển thị , truy xuất, quản lý dữ liệu 3D phục vụ quy hoạch không gian
đô thị trên Arcgis 10.0 .................................................................................. 55
PHẦN 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ........................................................................ 58
5.1. Kết luận ................................................................................................. 58
5.2. Kiến nghị ............................................................................................... 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................... 60


1

PHẦN 1
MỞ ĐẦU
1.1.Tính cấp thiết của đề tài
Thái Nguyên là trung tâm chính trị, kinh tế, văn hoá – xã hội của vùng Việt
Bắc: có vị trí thuận lợi, quan trọng trong việc phát triển kinh tế - xã hội của tỉnh
và các tỉnh miền núi phía Bắc Việt Nam. Thái Nguyên được tiếp thêm nguồn sức
mạnh mới, ngày càng được đầu tư và phát triển mạnh mẽ hơn. Thành phố có
những lợi thế đặc biệt về địa lý, giao thông, hạ tầng cơ sở và nhân văn...[7].
Đồng hành với nó là sự mở rộng không gian đô thị, phát triển giao thông, xây
dựng cơ sở hạ tầng. Sự phát triển đã thu hút dân cư tập trung về đây ngày càng
nhiều, kéo theo nhiều vấn đề khó khăn cho xây dựng và phát triển đô thị như:
vấn nạn giao thông, ô nhiễm môi trường, thiết kế mạng lưới điện, cung cấp nước
sạch, quy hoạch không gian xanh, công trình công cộng.. Trong khi hình thức
quản lý đô thị chủ yếu dựa vào các bản vẽ, sơ đồ hiện trạng mặt bằng của các
thửa đất, hình ảnh dưới dạng 2D khó khăn trong việc hình dung cụ thể và chi tiết
khu vực quản lý, không gian thực của các công trình, hệ thống cây xanh, mạng
lưới điện, mạng lưới giao thông, đặc biệt là độ cao của các công trình nhà ở,
khoảng trống trong đô thị, các lô đất không đồng đều đan xen với mạng lưới giao
thông khu phố.
GIS 3D là một công nghệ mới ở Việt Nam nhưng đã được các nước tiên
tiến ứng dụng rộng rãi từ vài chục năm gần đây. Công nghệ này tạo ra các sản
phẩm số với độ chính xác cao, khả năng linh động lớn và chia sẻ thông tin dễ
dàng. Chính các đặc điểm này làm cho công nghệ GIS 3D trở thành công
nghệ rất hiệu quả và được ứng dụng rộng rãi. Trong lĩnh vực quản lý và quy
hoạch đô thị, GIS 3D có rất nhiều ứng dụng như: xây dựng mô hình địa hình

số, xây dựng mô hình bề mặt số, theo dõi quản lý cơ sở hạ tầng đô thị như:
đường giao thông, đường điện, thoát nước; quản lý và quy hoạch xây dựng đô
thị; quản lý và quy hoạch sử dụng đất đô thị; quản lý và quy hoạch kiến trúc
đô thị. Nhìn chung, các ứng dụng của công nghệ này rất đa dạng và mang lại
hiệu quả cao. Công nghệ này cũng mở ra khả năng xây dựng mô hình cảnh
quan kiến trúc ba chiều của thành phố một cách nhanh chóng và chính xác.
Công nghệ GIS 3D cho phép hiển thị trực quan cảnh quan kiến trúc đô thị


2

phục vụ công tác quản lý quy hoạch theo chiều cao. Nhanh chóng bổ sung vào
nguồn dữ liệu 2D hiện có của bản đồ địa hình và quy hoạch.
Với mục đích nêu trên, được sự đồng ý của ban chủ nhiệm khoa Quản Lý
Tài Nguyên, trường Đại học Nông lâm Thái Nguyên, dưới sự hướng dẫn của cô
giáo Th.s. Ngô Thị Hồng Gấm em tiến hành lựa chọn đề tài: “Ứng dụng GIS
xây dựng mô hình 3D phục vụ quy hoạch không gian đô thị thành phố
Thái Nguyên, tỉnh Thái Nguyên” nhằm giúp cho các nhà nghiên cứu có cái
nhìn thực tế về thế giới thực, về những hạn chế của kiến trúc không gian đô
thị hiện tại để từ đó định hướng phù hợp cho công tác quy hoạch và cải tạo,
chỉnh trang đô thị trong tương lai.
1.2. Mục đích, yêu cầu, ý nghĩa
1.2.1. Mục đích nghiên cứu
- Nghiên cứu và ứng dụng phần mềm ArcGis 10.0, Google Sketchup
Pro 2013, và các phần mềm liên quan khác trong xây dựng mô hình 3D phục
vụ quy hoạch không gian đô thị thành phố Thái Nguyên, tỉnh Thái Nguyên.
- Xây dựng được mô hình 3D của thành phố Thái Nguyên phục vụ cho
quy hoạch không gian đô thị.
1.2.2. Yêu cầu của đề tài
- Nắm vững và có khả năng sử dụng các phần mềm chuyên dùng cho

ngành quản lý đất đai, đặc biệt là phần mềm ArcGis.
- Sử dụng thành thạo phần mềm ArcGis 3D.
- Bản đồ được thành lập phải đảm bảo các quy định trong quy phạm
thành lập bản đồ địa chính theo quyết định số 08/2008 của Bộ Tài nguyên và
Môi trường.
1.2.3. Mục tiêu
- Đánh giá Tình hình quản lí và sử dụng đất của thành phố Thái Nguyên
- Đánh giá công tác quy hoạch của thành phố Thái Nguyên.
- Xây dựng được quy trình xây dựng mô hình 3D khu vực nghiên cứu
- Xây dựng được mô hình 3D phục vụ cho quy hoạch không gian đô thị
thành phố Thái Nguyên.


3

PHẦN 2
TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
2.1. Tổng quan về quy hoạch không gian đô thị
2.1.1 Khái niệm về quy hoạch không gian đô thị
Quy hoạch đô thị là khoa học kỹ thuật, xã hội, nhân văn, là nghệ thuật về
tổ chức không gian sống cho các đô thị và các khu vực đô thị. Nó là nghệ
thuật sắp xếp tổ chức các không gian chức năng, khống chế hình thái kiến trúc
trong đô thị trên cơ sở các điều tra, dự báo, tính toán sự phát triển, đặc điểm,
vai trò, nhu cầu và nguồn lực của đô thị, nhằm cụ thể hóa chính sách phát
triển, giảm thiểu các tác động có hại phát sinh trong quá trình đô thị hóa, tận
dụng tối đa mọi nguồn lực và hướng tới sự phát triển bền vững [9].
2.1.2 Những hoạt động cụ thể liên quan đến quy hoạch không gian đô thị
- Đầu tư và phát triển bất động sản: Ở đây việc đầu tư và phát triển bất
động sản phải tuân theo quy luật phát triển chung của xã hội-kinh tế riêng
từng khu vực cụ thể.

- Văn hóa, lối sống cộng đồng
- Chính sách quản lý và phát triển bất động sản và nhà ở
- Chiến lược phát triển kinh tế xã hội cho mỗi vùng, mỗi khu vực
- Đầu tư hạ tầng kỹ thuật
- Phát triển và bảo tồn các di sản kiến trúc và thiên nhiên
- Phát triển bền vững của nhân loại.
2.1.3.Bộ khung pháp lý cho các quy hoạch không gian đô thị ở Việt Nam
Hệ thống khung pháp lý cho các quy hoạch không gian đô thị ở Việt
Nam khá chi tiết và đầy đủ, cụ thể như sau:
- Luật Quy hoạch Đô thị 2009
- Nghị định 37/2010/NĐ-CP về lập, thẩm định, phê duyệt và quản lý quy
hoạch đô thị - kèm theo Thông tư 10/2010/TT-BXD quy định hồ sơ của từng
loại quy hoạch đô thị do Bộ Xây dựng ban hành.


4

- Nghị định 38/2010/NĐ-CP về quản lý không gian, kiến trúc, cảnh quan
đô thị - kèm theo Thông tư 19/2010/TT-BXD hướng dẫn lập quy chế quản lý
quy hoạch, kiến trúc đô thị do Bộ Xây dựng ban hành.
- Nghị định 39/2010/NĐ-CP về quản lý không gian xây dựng ngầm đô
thị - kèm theo Thông tư 11/2010/TT-BXD hướng dẫn về quản lý cơ sở dữ liệu
công trình ngầm đô thị do Bộ Xây dựng ban hành.
2.1.4.Thực trạng quy hoạch không gian đô thị tại Việt Nam
2.1.4.1 Thực trạng quy hoạch không gian đô thị trên cả nước
Hầu hết cả tỉnh trên cả nước đều đã có quy hoạch không gian đô thị và
được chính phủ phê duyệt. Thành phố Hồ Chí Minh với kiến trúc quy hoạch
không gian vùng mở rộng sẽ tạo đòn bẩy và đóng vai trò là trung tâm kinh tế
của cả nước. Đà Nẵng, Cần Thơ, Huế, Hải Phòng đều là những thành phố
trọng điểm của các vùng miền. Tại các tỉnh này đều có quy hoạch phát triển

vùng và kết nối không gian với các vùng kinh tế trọng điểm, và vùng kinh tế
thế giới. Riêng Hà Nội đã có quy hoạch Vùng thủ đô Hà Nội là một vùng đô
thị lấy thành phố Hà Nội làm đô thị trung tâm và các thành phố, thị xã của các
tỉnh lân cận Hà Nội làm đô thị vệ tinh. Không gian quy hoạch của vùng thủ đô
Hà Nội bao trùm thành phố Hà Nội và 9 tỉnh là Phú Thọ, Vĩnh Phúc,Thái
Nguyên, Bắc Giang, Bắc Ninh, Hưng Yên, Hải Dương, Hà Nam và Hòa
Bình với diện tích tự nhiên khoảng 24.314,7 km². Với những công trình quy
hoạch không gian trong thời gian tới sẽ tạo cho Việt Nam bộ mặt mới, thúc
đẩy phát triển kinh tế, đẩy nhanh công cuộc CNH-HĐH, phấn đấu đến năm
2020 Việt Nam cơ bản trở thành một nước công nghiệp theo hướng hiện đại.
2.1.4.2.Thực trạng quy hoạch không gian đô thị thành phố Thái Nguyên
Từ năm 2000 đến nay thành phố Thái Nguyên đã thực hiện 22 đồ án quy
hoạch chi tiết các khu chức năng và 16 dự án đầu tư. Đặc biệt như quy hoạch
xây dựng trường Đại học Thái Nguyên, khu trung tâm hành chính trị của tỉnh
và thành phố, hệ thống chợ và các công trình dịch vụ công cộng. Khu sân vận


5

động, công viên cây xanh và bảo tàng Việt Bắc. Các công trình hạ tầng kỹ
thuật như nhà máy nước, các trạm điện, các tuyến giao thông, khu xử lý rác.
Thành phố đã xây dựng 5 cụm công nghiệp trọng điểm. Hiện nay thành phố
đang đầu tư xây dựng các khu đô thị mới, trong đó có các khu ở kiểu văn
chung cư văn minh hiện đại đáp ứng nhu cầu của đô thị loại I.
2.2. Tổng quan về công nghệ GIS
2.2.1. Kiến thức cơ bản về GIS
2.2.1.1. Định nghĩa về GIS
Xuất phát từ lĩnh vực địa lý, địa chất, môi trường, tài nguyên… các nhà
khoa học đã sử dụng GIS cho các công trình nghiên cứu của mình đã định nghĩa:
- “Hệ thống thông tin địa lý là tập hợp đa dạng các công cụ dùng để thu

thập, lưu trữ, truy cập, biến đổi và thể hiện dữ liệu không gian ghi nhận được
từ thế giới thực tiễn” (Burroughs, 1986).
- “Hệ thống thông tin địa lý là hệ thống có chức năng xử lý các thông tin
địa lý nhằm phục vụ việc quy hoạch, trợ giúp quyết định trong một lĩnh vực
chuyên môn nhất định” (Pavlidis, 1982).
Từ những chức năng cần có của một hệ thống thông tin địa lý, một số
nhà khoa học đã định nghĩa:
- “Hệ thống thông tin địa lý là hệ thống quản trị cơ sở dữ liệu trên máy
tính để thu thập, lưu trữ, truy cập, phân tích và thể hiện dữ liệu không gian”
(NCGIA = National Center for Geographic Information and Analsis,1988).
- “Hệ thống thông tin địa lý là một hệ thống chứa hàng loạt chức năng
phức tạp dựa khả năng của máy tính và các toán tử xử lý thông tin không
gian” (Tomlinson and Boy, 1981; Dangemond, 1983).
thông tin địa lý là một hệ thống tự động thu thập, lưu trữ, truy vấn, phân
tích và hiển thiện dữ liệu không gian” (Clarke, 1995).
- “Hệ thống thông tin địa lý là một hệ thống thông tin bao gồm một số
phụ hệ (subsystems) có khả năng biến đổi các dữ liệu địa lý thành những


6

thông tin có ích” (Calkins và Tomlinson, 1977; Marble, 1984).
- Từ những định nghĩa trên cho thấy hệ thống thông tin địa lý có những
khả năng của một hệ thống máy tính (phần cứng, phần mềm và các thiết bị
ngoại vi) dùng để nhập, lưu trữ, truy vấn, xử lý, phân tích và hiển thị hoặc
xuất dữ liệu. Trong đó, cơ sở dữ liệu của hệ thống là những dử liệu về các đối
tượng, các hoạt động, các sự kiện kinh tế, xã hội, nhân văn phân bố theo
không gian.
2.2.1.2. Các thành phần của GIS
Hệ thống GIS có 5 thành phần chính, bao gồm phần cứng (hardware),

phần mềm (software), con người (people), dữ liệu (data) và phương pháp
(method). Năm thành phần này phải cân bằng, hoàn chỉnh để GIS có thể
hoạt động hiệu quả [6].

Hình 2.1. Các thành phần của GIS
Phần cứng
Gồm máy vi tính, các thiết bị ngoại vi như bàn số hoá (DIGITIZER),
máy quét (SCANNER), máy in (PRINTER), máy vẽ (PLOTTER), đĩa CD.
Ngày nay, phần mềm GIS chạy được trên nhiều chủng loại phần cứng khác
nhau, từ các máy chủ trung tâm (computer servers) tới các máy tính desktop
được sử dụng riêng lẻ hoặc nối mạng.


7

*Phần mềm
Là tập hợp các câu lệnh, chỉ thị nhằm điều khiển phần cứng của máy tính
thực hiện một nhiệm vụ xác định, phần mềm hệ thống thông tin địa lý có thể
là một hoặc tổ hợp các phần mềm máy tính. Phần mềm được sử dụng trong kỹ
thuật GIS phải bao gồm các tính năng cơ bản sau
- Nhập và kiểm tra dữ liệu (Data input)
- Lưu trữ và quản lý cơ sở dữ liệu (Geographic database)
- Xuất dữ liệu (Display and reporting):
- Biến đổi dữ liệu (Data transformation)
- Tương tác với người dùng (Query input)
* Dữ liệu
Dữ liệu được sử dụng trong GIS không chỉ là số liệu địa lý (georeferenced data) riêng lẽ mà còn phải được thiết kế trong một cơ sở dữ liệu
(database). Những thông tin địa lý có nghĩa là sẽ bao gồm các dữ kiện về (1)
vị trí địa lý, (2) thuộc tính (attributes) của thông tin, (3) mối liên hệ không
gian (spatial relationships) của các thông tin, và (4) thời gian. Có 2 dạng số

liệu được sử dụng trong kỹ thuật GIS là:
- Cơ sở dữ liệu bản đồ
- Số liệu thuộc tính (Attribute)
*Con người
Con người là yếu tố quyết định sự thành công cho sự phát triển một dự
án về GIS, họ là các chuyên viên tin học, các chuyên gia về các lĩnh vực khác
nhau, chuyên gia GIS, thao tác viên GIS, phát triển ứng dụng GIS.
Người sử dụng hệ thống là những người sử dụng GIS để giải quyết các
vấn đề không gian. Họ thường là những người được đào tạo tốt về lĩnh vực
GIS hay GIS chuyên dụng. Nhiệm vụ chủ yếu của họ là số hóa bản đồ, kiểm
tra lỗi, soạn thảo, phân tích các dữ liệu thô và đầu ra các giải pháp cuối cùng
để truy vấn dữ liệu địa lý.


8

*Phương pháp
Là việc phân tích dữ liệu không gian như tạo vùng đệm, phân tích vùng lân
cận, phân tích thống kê không gian…phân tích và ghi các dữ liệu thuộc tính về
biến… Ngoài ra, GIS còn sử dụng các phương pháp nội suy không gian dựa trên
điểm, vùng… sử dụng phương pháp đo và tính toán, chuyển hệ tọa độ nhằm mục
đích trả lời những câu hỏi được đặt ra hay bài toán cần giải quyết.
2.2.2. Tổng quan về công nghệ Gis 3D
2.2.2.1. Một số khái niệm cơ bản
Mô hình độ cao số
Mô hình độ cao số (Digital Elevation Model - DEM) là mô hình số miêu
tả bề mặt mặt đất nhưng không bao gồm các đối tượng vật thể trên đó được
xây dựng dựa trên các điểm độ cao và các đường bình độ. DEM là một nội
dung chính của Mô hình địa hình 3D nên một trong những ứng dụng chính
của mô hình địa hình 3D là các ứng dụng từ DEM.[3]

Mô hình địa hình số
Cũng giống như DEM, mô hình địa hình số (Digital Terrain Model – DTM)
là mô hình số miêu tả bề mặt mặt đất không bao gồm các đối tượng vật thể trên
đó nhưng được xây dựng dựa trên các điểm độ cao, các đường bình độ và các
đối tượng nằm trên bề mặt như sông suối, ao hồ… Do vậy độ chính xác của
DTM cao hơn DEM, DTM là cơ sở để đo vẽ địa hình trên trạm ảnh số.
Mô hình bề mặt số
Mô hình bề mặt số (Digital Surrface Model - DSM) là một mô hình độ
cao số miêu tả bề mặt mặt đất và bao gồm cả các đối tượng vật thể trên đó
như nhà cửa, cây, đường giao thông... Mô hình bề mặt số có ý nghĩa rất quan
trọng trong việc tạo ảnh trực giao đối với ảnh vệ tinh, ảnh máy bay chụp màu
có độ phân giải cao.
2.2.2.2. Biểu diễn đối tượng 3D
 Điểm
Điểm là thành phần cơ sở được định nghĩa trong một hệ tọa độ. Đối với
hệ tọa độ hai chiều mỗi điểm được xác định bởi cặp tọa độ (x, y). Khi biểu


9

diễn các điểm độ cao địa hình, chúng ta thường biểu diễn điểm trong hệ tọa
độ 3 chiều xác định bởi các giá trị (x, y, z).
 Đường thẳng
Một đường thẳng có thể xác định nếu biết hai điểm thuộc nó. Phương
trình đường thẳng đi qua hai điểm (x1, y1) và (x2, y2) có dạng sau :

Ngoài ra, người ta còn sử dụng phương trình tham số của đường thẳng có
dạng các tọa độ x, y được mô tả qua một thành phần thứ ba là t.
Dạng này rất thuận tiện khi khảo sát các đoạn thẳng.

Nếu t1[0,1], ta có các điểm (x,y) thuộc về đoạn thẳng giới hạn bởi hai
điểm (x1, y1) và (x2, y2), nếu t2[-∞,+∞] ta sẽ có toàn bộ đường thẳng. Trong
biểu diễn bề mặt địa hình, đoạn thẳng nối hai điểm độ cao trên bề mặt địa
hình được dùng để miêu tả sự biến đổi tuyến tính của một phần bề mặt địa
hình nằm giữa hai điểm đó.
 Mặt phẳng
Khi biểu diễn bề mặt địa hình dưới dạng lưới tam giác không đều TIN,
thì mỗi tam giác sẽ đặc tả phần địa hình nằm bên trong tam giác đó. Mỗi tam
giác là một mặt phẳng, để biểu diễn các tam giác trên máy tính, chúng ta sử
dụng phương trình toán học của mặt phẳng.
Phương trình tổng quát biểu diễn mặt phẳng có dạng:
Ax + By + Cz + D = 0
Trong đó: (x, y, z) là một điểm bất kì của mặt phẳng
A, B, C, D là các hằng số diễn tả thông tin không gian của mặt phẳng.
Để xác định phương trình mặt phẳng của một tam giác trong không gian, ta
sử dụng tọa độ của ba đỉnh (x1,y1,z1), (x2,,y2,z2), (x3 ,y3,z3) của tam giác này.


10

 Đường cong
Khi biểu diễn bề mặt địa hình, người ta còn thể hiện dáng điệu địa hình
dưới dạng các đường bình độ. Đường bình độ là một đường cong phức tạp,
luôn uốn lượn bám sát bề mặt địa hình và có độ cao không đổi. Việc tìm ra
các công thức để biểu diễn các đường bình độ là rất phức tạp. Trong mục này
chúng ta sẽ khảo sát các phương pháp cho phép tạo ra các đường cong mô tả
đường bình độ dựa trên tập các điểm xác định trên đường cong.
Bài toán đặt ra ở đây là cần xây dựng một đường cong đi qua tập hợp các
điểm phân biệt p1, p2, .... , pL+1 có độ cao không đổi và luôn bám sát bề mặt
địa hình.

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

Hình 2.2. Vật thể ba chiều được biểu diễn bằng mô hình khung nối kết


11

2.3. Google Skechup Pro – 2013
Google Sketchup là phần mềm của Google phục vụ nhiều trong các lĩnh
vực về kĩ thuật, xây dựng, cũng là công cụ giúp ích trong việc dựng 3D phục
vụ quy hoạch không gian [11].

Hình 2.3 : Giao diện chính của Google Sketchup Pro – 2013
 Các chức năng chính của Google Sketchup:
+ Xây dựng các bản vẽ xây dựng, kĩ thuật.
+ Dựng hình ở các dạng 2D, 3D.
+ Tích hợp nhiều định dạng mở file, dễ dàng chuyển đổi qua các phần

mềm khác.
+ Cho phép chia sẻ các đối tượng thiết kế được lên Internet.
+ Có thể lấy các thiết kế có sẵn thông qua mạng trực tuyến Google
Buiding Marker
+ Xây dựng các thiết kế bản vẽ dễ dàng và thuận lợi hơn các phần mềm khác.
+ Sketcup trực quan hóa mọi hoạt động tương tự như vẽ tay. Đơn vị cơ bản
trong Sketchup là đường- mặt với các chuối thao tác vẽ, chia, nối, di chuyển ,
xoay, thu phóng, nâng khối, cắt khối, trượt dẫn, tô màu, vẽ địa hình…
+ Do đơn giản nên người sử dụng Sketchup có thể vẽ rất nhanh, nhưng
không có nghĩa là kém chính xác. Sketchup có khả năng dò tìm điểm nội suy,
nhập số liệu chính xác đến 06 lẻ số thập phân, giả bóng thời gian thực.


12

2.4. Một số ứng dụng của mô hình địa hình số 3D

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

phương án nhằm giảm thiểu thiệt hại do thiên tai gây ra.
2.4.2. Các ứng dụng trong xây dựng cơ sở hạ tầng và viễn thông
 Trong xây dựng cơ sở hạ tầng
Thiết kế - quy hoạch là một trong những lĩnh vực rộng lớn rất cần mô
hình địa hình 3D. Từ thiết kế giao thông, đô thị, công trình công cộng đến
thiết kế nhà máy thuỷ điện đều cần đến các thông tin chính xác này để nghiên
cứu tình trạng hiện thời, tính toán khối lượng đào đắp để đưa ra phương án tối
ưu, lên kế hoạch giải toả và tái định cư, hiển thị mô hình thiết kế, lấy ý kiến
đóng góp, trình duyệt.
 Trong viễn thông
DEM cũng đã được ứng dụng trong viễn thông để thiết kế các trạm phát
sóng, tiếp sóng dựa trên phân tích về vùng thông hướng nhìn. Nhưng gần đây
với quá trình đô thị hoá, các khu nhà cao tầng mọc lên rất nhanh thì DEM
không còn khả năng cung cấp đủ thông tin cho việc quản lý viễn thông nữa,
nhất là trong các khu vực mật độ dân số cao. Mô hình địa hình 3D hoặc một


13

biến thể của nó là mô hình thành phố 3D có thể cung cấp thông tin đầy đủ hơn
cho việc chọn các vị trí tối ưu để xây dựng trạm thu phát, đảm bảo việc truyền
phát sóng được thực hiệnhiệu quả nhất.
2.4.3. Các ứng dụng trong lĩnh vực quốc phòng
Với ưu điểm về môi trường hiển thị ba chiều rất giống với thế giới thực,
Mô hình địa hình 3D được sử dụng cho các ứng dụng mô phỏng địa hình
trong lĩnh vực quân sự, hàng không... Bằng cách kết hợp các nội dung Mô
hình địa hình 3D với cơ sở dữ liệu của sân bay, các công ty phần mềm có thể
cung cấp cho các sân bay công cụ để thiết lập một hệ thống phòng tránh các
va chạm hàng không, cảnh báo tiếp cận sân bay và quản lý các chuyến bay.
Ngoài ra trong quân sự, Mô hình địa hình 3D có thể sử dụng phục vụ tác

chiến, phân tích địa hình cho các hoạt động chiến trường như: phân tích tầm
nhìn hay khả năng cơ động của các trang thiết bị cơ giới... Các ứng dụng tiêu
biểu khác của DEM trong quân sự là phục vụ dẫn đường cho tên lửa và thiết
kế mạng thông tin liên lạc. Các ứng dụng trong quân sự cũng đòi hỏi phải có
các chức năng hiển thị mạnh như các công cụ hiển thị hình ảnh động trong
các mô hình mô phỏng tác chiến.
Xuất hiện tại Việt Nam từ những năm 90 và bùng nổ manh mẽ trong
những năm gần đây, hệ thống thông tin địa lý (Geographic Information
System – GIS) ra đời trên cơ sở sự phát triển của hoa học máy tính và ngày
nay được biết đến là một công cụ trợ giúp đắc lực trong quản lý hạ tầng tại
Việt Nam.
Hệ thống GIS đã bắt đầu được nghiên cứu ứng dụng trong nhiều bộ
ngành: Quy hoạch xây dựng, sử dụng đất, tài nguyên môi trường, giao thông
vận tải... và bắt đầu đã được đưa vào chương trình giảng dạy tại một số
trường đại học.
Trong lĩnh vực Quy hoạch xây dựng, công nghệ GIS đã được áp dụng tại
một số đơn vị trong ngành quy hoạch xây dựng và cơ quan quản lý địa
phương như: Viện Kiến trúc, Quy hoạch đô thị và nông thôn, UBND (uỷ ban
nhân dân) Thành phố Hà nội, Sở địa chính, Viện Quy hoạch Hải Phòng, Sở
Tài nguyên – Môi trường Cần Thơ... và nhiều cơ quan khác. Các phần mềm


14

chính được sử dụng như: MapInfo, ArcInfo, AutoCad, ArcView,
Microstation, Access, SQL server,...
Hiện nay trong công tác quy hoạch xây dựng, phần mềm chính được sử
dụng phổ biến hiện nay nhất là phần mềm hỗ trợ thiết kế AutoCad, phần mềm
xử lý ảnh Photoshop... việc ứng dụng các phần mềm GIS như Arcview,
Mapinfo,... còn rất hạn chế. Chính những hạn chế này đã đặt ra cho các nhà

qui hoạch và quản lý là vấn đề chuyển hoá các sản phẩm xây dựng từ các
phần mềm thiết kế sang quản lý bằng công nghệ GIS.
* Một số đề tài nghiên cứu ứng dụng GIS 3D
- Xây dựng mô hình 3D thành phố từ dữ liệu Lidar bằng phần mềm
SCANEX IMAGE PROCESSOR 3.0 kết hợp với ARCGIS của KS. Hoàng
Thị Tâm (Viện Khoa học Đo đạc và Bản đồ).
- Kết hợp ARCGIS và GOOGLE SKETCHUP trong xây dựng bản đồ
3D GIS phục vụ nghiên cứu và giảng dạy ở các trường đại học và cao đẳng
của Lương Thị Vân, Ngô Anh Tú, Trương Quang Hiển ( Khoa Địa lí- Địa
chính, Trường Đại học Quy Nhơn).
- Nghiên cứu ứng dụng GIS, GPS và viễn thám xây dựng bản đồ 3D GIS
phục vụ quy hoạch không gian đô thị - Lấy ví dụ trên địa bàn phường Trần Hưng
Đạo, Thành phố Quy Nhơn, Tỉnh Bình Định của Lương Thị Vân, Ngô Anh Tú,
Trương Quang Hiển ( Khoa Địa lí- Địa chính, Trường Đại học Quy Nhơn).
- GIS 3D giải pháp mới cho quản lý hạ tầng đô thị của Nguyễn Văn Lộc,
Đặng Thị Ngọc Lý, Nguyễn Thị Hoàng Yến (Cty TNHH Kỹ thuật Môi trường
Vệt An).


15

PHẦN 3
ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
3.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
3.1.1. Đối tượng
- Phần mềm ARCGIS phiên 10.0 với các extertion ArcMap, ArcScene,
ArcGlobe, Google Sketchup Pro 2013.
- Không gian đô thị của thành phố Thái Nguyên, tỉnh Thái Nguyên.
3.1.2. Phạm vi nghiên cứu
- Đề tài tiến hành nghiên cứu trên địa bàn 3 phường trung tâm( Hoàng

Văn Thụ,Trưng Vương, Phan Đình Phùng) thành phố Thái Nguyên.
- Trích khu đô thị Xương Rồng, phường Phan Đình Phùng, thành phố
Thái Nguyên.
3.2. Địa điểm và thời gian nghiên cứu
3.2.1. Địa điểm
Thành phố Thái Nguyên, tỉnh Thái Nguyên
3.2.2. Thời gian
Đề tài được nghiên cứu từ ngày 20/01/2014 đến ngày 30/04/2014.
3.3. Nội dung nghiên cứu
- Điều kiện tự nhiên, kinh tế, xã hội của thành phố Thái Nguyên.
- Tình hình quản lí và sử dụng đất của thành phố Thái Nguyên.
- Tình hình quy hoạch và xây dựng không gian đô thị tại thành phố Thái
Nguyên.
- Xây dựng mô hình 3D phục vụ cho quy hoạch không gian thành phố
Thái Nguyên.
- Ứng dụng mô hình 3D trên một số phần mềm.
+ Hiển thị mô hình 3D trên ArcGoble
+ Phối cảnh không gian đô thị khu đô thị Hồ Xương Rồng phục vụ quy
hoạch bằng Google Sketchup Pro- 2013.
+ Hiển thị, truy xuất, cập nhật mô hình 3D bằng Arcgis


16

3.4. Phương pháp nghiên cứu
3.4.1. Phương pháp điều tra, thu thập số liệu
3.4.1.1. Tài liệu thứ cấp
- Bản đồ hiện trạng sử dụng đất thành phố Thái Nguyên tỷ lệ 1:5000
- Bản đồ địa chính của thành phố Thái nguyên tỷ lệ 1:5000.
- Báo cáo tình hình kinh tế hằng năm của thành phố Thái nguyên.

- Thống kê nguồn tài nguyên thên nhiên của thành phố Thái nguyên.
- Báo cáo quy hoạch sử dụng đất thành phố Thái Nguyên (2001 – 2010).
- Báo cáo quy hoạch sử dụng đất thành phố Thái nguyên (20011 – 2020).
- Thống kê đất đai năm 2013 của thành phố Thái nguyên.
- Điều chỉnh quy hoạch chung của thành phố Thái Nguyên đến năm 2035
(thuyết minh tóm tắt).
3.4.1.2. Tài liệu sơ cấp
- Các số liệu điều tra khảo sát thực tế thông qua phiếu điều tra ven các
tuyến đường Hoàng Văn Thụ, Cách Mạng Tháng Tám, Hùng Vương, Bến
Tượng, Phan Đình Phùng, Lương Ngọc Quyền, Bắc Sơn, Nguyễn Du, Bến
Oánh, Phùng Chí Kiên…
- Số liệu điều tra: số liệu điều thu thập được thông qua phiếu điều tra
(điều tra về số tầng nhà , diện tích mặt phố, khả năng xây dựng các công trình
trong tương lai …)
3.4.2. Phương pháp phân tích và xây dựng bản đồ số
- Là phương pháp tìm hiểu các tài liệu bản đồ đã có như bản đồ hiện
trạng sử dụng đất, bản đồ địa chính, các bản đồ liên quan khác để đối chiếu,
tìm kiếm, kế thừa các thông tin cần thiết.
- Ứng dụng phần mềm GIS để xử lý, biên tập, thành lập mô hình 3D của
thành phố Thái nguyên và cơ sở dữ liệu thuộc tính liên quan.
3.4.3. Phương pháp điều tra, khảo sát thực địa
- Điều tra, đối soát, bổ sung, chỉnh lý các yếu tố nội dung cơ sở địa lý
trên bản đồ.
- Khảo sát thực địa nhằm đảm bảo độ chính xác của các tài liệu, số liệu
thu thập được, thu thập các thông tin về số tầng nhà.