Xây dựng cơ sở dữ liệu địa hình phục vụ khảo sát, thiết kế các công trình thuỷ điện từ các kết quả đo vẽ của công nghệ ảnh số

bộ giáo và dục đào tạo
trờng đại học mỏ - địa chất

Đặng Huy Hùng

Xây dựng Cơ sở dữ liệu Địa hình
phục vụ khảo sát, thiết kế các công trình
Thủy Điện từ các kết quả đo vẽ của công nghệ ảnh số

luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Chuyên ngành: Kỹ thuật Trắc địa
M số: 60.52.85

Ngời hớng dẫn khoa học:
PGS.TS Trần Đình Trí

Hà néi – 2010


1

LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam rằng đây là cơng trình nghiên cứu của riêng bản thân. Các số
liệu và kết qủa trình bày là chính xác, trung thực chưa có cơng trình nào cơng
bố.
Hà Nội, ngày 02 tháng 09 năm 2010
Tác giả luận văn

Đặng Huy Hùng

2

MỤC LỤC
Trang
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................... 1
MỤC LỤC ..................................................................................................... 2
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ........................................................... 5
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU ......................................... 6
MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 8
1. Tính cấp thiết của đề tài ............................................................................ 8
2. Mục tiêu của luận văn ............................................................................. 10
3. Phạm vi nghiên cứu ................................................................................. 10
4. Nội dung nghiên cứu của đề tài............................................................... 11
5. Phương pháp nghiên cứu của đề tài ........................................................ 11
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ................................................ 11
7. Cấu trúc của luận văn .............................................................................. 12
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................. 13
Chương 1 - KHÁI QT VỀ HỆ THỐNG THƠNG TIN ĐỊA LÍ (GIS).. 14
1.1. Sự hình thành và phát triển của GIS .................................................... 14
1.2. Khái niệm về hệ thống thông tin địa lí (GIS)....................................... 15
1.3. Các thành phần cơ bản của GIS ........................................................... 16
1.3.1. Thiết bị (phần cứng) .......................................................................... 17
1.3.2. Phần mềm .......................................................................................... 17
1.3.3. Số liệu, dữ liệu địa lí ......................................................................... 17
1.3.4. Chuyên viên ...................................................................................... 18
1.3.5. Chính sách và quản lý ....................................................................... 18
1.4. Cấu trúc CSDL trong hệ thống thông tin địa lí (GIS) .......................... 18
1.4.1. CSDL khơng gian .............................................................................. 18
1.4.2. CSDL thuộc tính ............................................................................... 24

3

1.4.3. Mối liên kết dữ liệu ........................................................................... 26
1.5. Các đặc điểm của hệ thống thơng tin địa lí (GIS) ................................ 26
1.5.1. Khả năng chồng xếp các bản đồ........................................................ 26
1.5.2. Khả năng phân loại các thuộc tính .................................................... 27
1.5.3. Khả năng phân tích............................................................................ 27
1.6. Xử lý thơng tin bản đồ trong GIS ........................................................ 28
1.6.1. Cấu trúc của thông tin bản đồ ........................................................... 28
1.6.2 Chuẩn thông tin bản đồ ...................................................................... 31
Chương 2 - SỬ DỤNG CÁC KẾT QUẢ ĐO VẼ ẢNH SỐ ĐỂ XÂY
DỰNG CƠ SƠ DỮ LIỆU GIS .................................................................... 33
2.1. Cơ sở lý thuyết thành lập bản đồ địa hình bằng công nghệ ảnh số...... 33
2.1.1. Cơ sở lý thuyết đo vẽ ảnh số ............................................................. 33
2.1.2.Các hệ thống đo vẽ ảnh ...................................................................... 36
2.1.3. Cấu trúc của hệ thống xử lý ảnh ....................................................... 37
2.1.4. Quy trình cơng nghệ thành lập bản đồ địa hình bằng ảnh số ............ 40
2.2. Phương pháp xây dựng cơ sở dử liệu ................................................... 48
2.2.1. Mơ hình dữ liệu ................................................................................. 48
2.2.2. Quy trình xây dựng cơ sở dữ liệu ..................................................... 50
Chương 3 - XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU ĐỊA HÌNH GIS KHU VỰC
HUỘI QUẢNG ........................................................................................... 62
3.1. Giới thiệu phần mềm ArcGIS .............................................................. 62
3.1.1.Hệ thống ArcGIS................................................................................ 62
3.1.2. ArcGis Desktop ................................................................................. 64
3.1.3. ArcSDE ............................................................................................. 67
3.1.4. ArcIMS .............................................................................................. 68
3.1.5. Nguồn dữ liệu và khuôn dạng dữ liệu của GIS ................................. 68

3.2. Điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội khu vực thực nghiệm ..................... 70


4

3.3. Xây dựng CSDL địa hình hệ TTĐL từ các kết quả đo vẽ ảnh số ........ 73
3.3.1. Cấu trúc của dữ liệu “*.dgn” ............................................................. 73
3.3.2. Những nhược điểm của dữ liệu dạng “*.dgn” .................................. 75
3.3.3. Cơ sở thiết kế CSDL địa hình ........................................................... 75
3.3.4. Thiết kế CSDL .................................................................................. 76
3.4. Ứng dụng công nghệ GIS trong khảo sát, thiết kế các cơng trình thủy
điện .............................................................................................................. 96
3.4.1. Xây dựng mơ hình 3D phục vụ cho nghiên cứu tổng quan .............. 96
3.4.2. Bài tốn lựa chọn vị trí tuyến đập tối ưu........................................... 99
3.4.3. Bài toán lựa chọn cao độ đập dâng hồ chứa ................................... 104
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................. 108
TÀI TIỆU THAM KHẢO ......................................................................... 110


5

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
GIS

Geography Information System

CSDL

Cơ sở dữ liệu

BĐĐH

Bản đồ địa hình

BĐ

Bản đồ

ĐTĐL

Đối tượng địa lý

HTTTĐL

Hệ thống thơng tin địa lý

TTĐL

Thơng tin địa lý

DEM

Mơ hình số độ cao

DTM

Mơ hình số địa hình

DGN

Định dạng tệp đồ họa của phần mềm MicroStation

GPS

Hệ thống định vị tồn cầu

RS

Cơng nghệ viễn thám

KTVHXH

Kinh tế, văn hóa, xã hội

CS

Cơ sở

Topogy

Mối quan hệ khơng gian giữa các đối tượng �p thông tin giao thông vùng thực nghiệm


93

Hình 3.12. Lớp thơng tin thủy hệ vùng thực nghiệm

Hình 3.13. Lớp thông tin dân cư vùng thực nghiệm

94

Hình 3.14. Lớp thơng tin ranh giới vùng thực nghiệm

Hình 3.15. Lớp thông tin thực vật vùng thực nghiệm


95

Hình 3.16. Các lớp thơng tin vùng thực nghiêm


96

3.4. Ứng dụng công nghệ GIS trong khảo sát, thiết kế các cơng trình thủy
điện
3.4.1. Xây dựng mơ hình 3D phục vụ cho nghiên cứu tổng quan
3.4.1.1. Xây dựng mô hình TIN

Hình 3.17. Mơ hình tin khu thực nghiệm
3.4.1.2. Xây dựng bề mặt Grid
- 3d Analyst > Convert > Tin to Raster

Hình 3.18. Bề mặt Grid khu thực nghiệm


97

3.4.1.3. Tạo bề mặt độ dốc từ mơ hình TIN
- vào 3d Analyst > S urface Analyst > Slope

Hình 3.19. Bề mặt độ dốc khu thực nghiệm
3.4.1.4. Xây dựng giá trị độ cao cho các điểm dân cư
Dựa vào bề mặt tin vừa tạo ta vào 3d Analyst > Convert > Feature to
3d xuất hiện hộp thoại:

Nhập trường thuộc tính độ cao cho file DiemDC3d
Add thêm trường Docao


98

Dùng thanh cơng cụ Field Calculate để tính thuộc tính trường Docao
dựa vào giá trị độ cao của điểm dân cư

- Kết quả các điểm dân cư đã chuyển sang 3D như sau:

Hình 3.20. Xây dựng gía trị độ cao các điểm dân cư


99

3.4.2. Bài tốn lựa chọn vị trí tuyến đập tối ưu
Giả sử để xây dựng một con đập dâng nước nằm trên sơng Nậm Mu
với các tiêu chí đặt ra như sau:
- Đập phải nằm trên sông Nậm Mu - đảm bảo điều kiện về lưu lượng
dịng chảy.
- Đập có chiều cao cột nước thiết kế là 100m - đảm bảo điều kiện về
công suất lắp máy.
- Đập phải nằm ở vị trí lịng sơng hẹp và có khoảng cách giữa hai vai là

ngắn nhất - đảm bảo điều kiện về kinh tế.
Để giải quyết bàn toán này ta sẽ tiến hành xác định từng tiêu chí một và
cuối cùng kết hợp các tiêu chí lại với nhau để tìm ra vị trí thích hợp nhất.
Bước 1: Tìm sơng Nậm Mu
- Mở file Thuyhe_vung rồi vào thanh công cụ Selection > Select by
Attribute trong dịng lệnh đánh Ten="sơng Nậm Mu" để xác định sơng Nậm
Mu. Chuyển sơng vừa tìm được thành file Songnammu

Hình 3.21. Tìm kiếm sơng theo tên


100

Bước 2: Tìm các vị trí hẹp trên sơng Nậm Mu để xây dựng đập
- Chuyển vùng sông Nậm Mu sang thành dạng đường được đường bờ
nước của sông Nậm Mu, tách đường bờ nước thành 2 file là Duongbonuoctrai
và Duongbonuocphai.
Mở Arctoolbox > DataManagementTool > Feature > Feature to line để
tạo ra file Duongbonuoc.
- Lựa chọn bằng thanh edit tool để tách Duongbonuoc thành 2 file
Duongbonuoctrai và Duongbonuocphai
- Chuyển file Duongbonuoctrai sang thành dạng điểm để tìm vị trí hẹp
của đoạn sông
Vào Arctoolbox > DataManagementTool > Feature > Feature vertices
to Point tạo ra file Duongbonuoctrai_point
- Tính khoảng cách từ các điểm trên đường bờ nước trái với đường bờ
nước phải
vào Arctoolbox > Analyst > Proximity > Near
- Tìm các điểm sơng hẹp nhất dựa vào khoảng cách vừa tính được trong
trường Near_dist và đánh dấu các vị trí đó được file DiemXDDap

Hình 3.22. Tìm các vị trí hẹp trên sơng Nậm Mu


101

Hình 3.23. Các vị trí tìm được trên sơng Nậm Mu
Bước 3: Xác định cao độ cột nước theo thết kế
- Xác định độ cao cột dựa vào nước mô hình tin được xây dựng từ
đường bình độ
vào 3d Analyst > Convert > Feature to 3D


102

- Xác định độ cao của các vị trí đập

- Xác định Caododap = Docao + 100


103

Bước 4: Tính khoảng cách giữa hai vai đập
- Tạo một file Vaidap rồi từ các vị trí đập vừa tìm được và cao độ của
đập vẽ các vai đập tới các đường bình độ tương ứng.

Hình 3.24. Khoảng cách các tuyến đập


104

- Tìm khoảng cách nhỏ nhất giữa hai vai đập trong trường Chieudai.
Như vậy ta tìm được vị trí của đập thoả mãn các tiêu chí trên.

Hình 3.25. Tuyến đập có chiều dài nhỏ nhất
3.4.3. Bài tốn lựa chọn cao độ đập dâng hồ chứa
3.4.3.1. Xác định ranh giới vùng ngập nước
Với kết quả đã tìm thấy ở phần trên là vị trí xây đập và độ cao cột nước
với cao trình là 300m ta làm như sau:
- Chọn đường bình độ có độ cao là 300m được file Ranhgioingapnuoc.
Xuất file Rangioingapnuoc thành dạng vùng được file Vungngapnuoc


105

Hình 3.26. Vùng ngập nước sau khi tích nước lịng hồ đến cao trình thiết kế
3.4.3.2. Tìm các điểm dân cư nằm trong vùng ngập nước
Vào Selection chọn Select by Location


106

Kết quả hiển thị cho thấy có 2 điểm dân cư cần di rời là bản Huổi Vả ở độ cao
289.1m và bản Tang Khẻ ở độ cao 240.82m

Hình 3.27. Các vị trí dân cư phải di rời
3.4.3.3. Tính diện tích các vùng thực vật bị ngập
- Vào Arctoolbox > Analyst > Clip

107

- Kết quả cho thấy diện tích rừng bị ngập là 513739.74 m2, cây bụi là
353251.59 m2

Hình 3.28. Các vùng thực vật bị ngập


108

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
KẾT LUẬN:
Với việc ứng dụng công nghệ GIS để xây dựng CSDL địa hình, chúng
ta có thể sử dụng được triệt để các kết quả đo vẽ ảnh trên các trạm đo vẽ ảnh
số đang có ở nước ta. Từ CSDL đó có thể khai thác, sử dụng cho nhiều mục
đích khác nhau.
Trong một khoảng thời gian không dài nhưng luận văn cũng đã đạt
được một số kết quả quan trọng, hoàn thành các mục tiêu đề ra:
1. Nghiên cứu và chuyển đổi thành công dữ liệu ở dạng “*.dgn” và
biên tập thành CSDL GIS.
2. Xây dựng mơ hình 3D phục vụ cho nghiên cứu tổng quan.
3. Trên cơ sở các dữ liệu đã xây dựng trên khu vực thực nghiệm, tiến
hành các phép phân tích địa hình, đưa ra phương án giải quyết một số bài toán
được áp dụng trong khảo sát và thiết kế các cơng trình thủy điện dựa trên các
tiêu chí đã đặt ra.
4. Sau khi thực hiện lần lượt các phép phân tích dựa trên các tiêu chí đã
đề ra, kết quả cuối cùng đã tìm được một vị trí tối ưu nhất để bố trí xây dựng
tuyến đập cho thủy điện Huội Quảng.
5. Xây dựng được cao trình ngập nước vùng lịng hồ, từ đó tiến hành
các bài tốn lựa chọn tiếp theo như tìm kiếm các điểm dân cư phải di rời do

ngập nước, diện tích các vùng thực vật bị mất do tích nước lịng hồ.
6. Ngồi ra, CSDL địa hình hệ TTĐL được xây dựng cịn có thể phục
vụ hữu ích cho cơng tác đánh giá tác động môi trường, cũng như công tác tái
định cư khi cơng trình được chính thức được đầu tư xây dựng.
KIẾN NGHỊ:
1. Trong q trình thực hiện các bài tốn lựa chọn và tìm kiếm tơi nhận
thấy, để cho các bài tốn này được thực hiện một cách nhanh chóng, tìm được


109

mọi lời giải tối ưu và thuận tiện hơn cần xây dựng thêm các modul tiện ích
khác phù hợp với các tiêu chí riêng trong khảo sát và thiết kế các cơng trình
thủy điện.
2. Đề tài này hồn tồn có thể nâng cao hơn để giải quyết được nhiều
bài toán ứng dụng hơn nữa, nếu có đầy đủ hơn các thơng tin về điều kiện địa
lí và KTXH của khu vực như:
- Thông tin về địa chất.
- Thông tin về khí tượng thủy văn.
- Thơng tin về lớp phủ bề mặt.
- Thông tin về Kinh tế - xã hội.
…
3. Từ những lợi ích của GIS chúng ta cần phải đưa ra những kế
hoạch để phát triển nhiều hơn nữa các ứng dụng của GIS vào các linh vực
khác nhau và song song đó phải đào tạo đội ngũ cáo bộ quản lý sử dụng thành
thạo các phần mềm, thiết bị, phục vụ công tác xây dựng CSDL.


110

TÀI TIỆU THAM KHẢO
1. Trần Quốc Bình (2004), Bài Giảng ESRI ARCGIS 8.1, Trường Đại học
quốc gia Hà Nội.
2. Trần Quốc Bình (2009), Bài giảng ESRI ARCGIS 9.2, Trường Đại học
quốc gia Hà Nội.
3. Công ty TNHH Tin học cK (2008), Chương trình đào tạo GIS cho
người xây dựng dữ liệu địa lý.
4. Nguyễn Chiến, Phân loại các loại đập và yêu cầu thiết kế.
5. Phan Văn Lộc (2008), Tự động hóa đo ảnh, NXB Giao thơng vận tải.
6. Phân viện báo chí và tuyên truyền (2004), Lý luận và phương pháp
nghiên cứu khoa học.
7. Trần Đình Trí (2008), Bài giảng môn học Hệ thống thông tin địa lý, Bộ
môn ảnh và viễn thám trường đại học Mỏ- Địa chất.
8. Trần Đình Trí (2009), Đo ảnh giải tích và ảnh số, Bộ môn ảnh và viễn
thám trường đại học Mỏ- Địa chất, NXB Giáo dục.
9. Tổng công ty Sông Đà, Sổ tay xây dựng thủy điện.
10. Trung tâm hỗ trợ phát triển khoa học kỹ thuật, Trường ĐH Mỏ - Địa
Chất (2004), Báo các kỹ thuật, công tác đo vẽ bản đồ địa hình tỷ lệ
1/10 000 khoảng cao đều 5m, bằng ảnh hàng khơng vùng hồ cơng trình
thủy điện Huội Quảng.
11. http:/www.google.vn