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. http://msdn.microsoft.com 22. http://www.gisdevelopment.net 23. http://www.opengeospatial.org 24. http://www.opengis.com 25. http://www.silverlight.net 26. http://silverlightvn.org 27. http://en.wikipedia.org 28. http://vi.wikipedia.org/wiki/AutoCAD 29. http://vi.wikipedia.org/wiki/MapInfo_Professional 30. http://vi.wikipedia.org/wiki/ArcGIS 31. http://vi.wikipedia.org/wiki/MicroStation 32. http://www.wpftutorial.net/IntroductionTo3D.html 33. http://vi.wikipedia.org/wiki/Hệ_thống_Thông_tin_Địa_lý http://en.wikipedia.org/wiki/Windows_Presentation_Foundation . 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. 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. 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