Tài liệu 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 GIS3D 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 GIS3D 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 . 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 Trương Thị hạnh Phúc - chuyên ngành CNPM 2/92 Phân tích dữ liệu không gian GIS-3D và xây dựng ứng dụng . 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 Trương Thị hạnh Phúc - chuyên ngành CNPM 3/92 Phân tích dữ liệu không gian GIS-3D và xây dựng ứng dụng . 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 Trương Thị hạnh Phúc - chuyên ngành CNPM 6/92 Phân tích dữ liệu không gian GIS-3D và xây dựng ứng dụng . 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 Trương Thị hạnh Phúc - chuyên ngành CNPM 7/92 Phân tích dữ liệu không gian GIS-3D và xây dựng ứng dụng . 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. Trương Thị hạnh Phúc - chuyên ngành CNPM 8/92 Phân tích dữ liệu không gian GIS-3D và xây dựng ứng dụng . 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. Trương Thị hạnh Phúc - chuyên ngành CNPM 9/92 Phân tích dữ liệu không gian GIS-3D và xây dựng ứng dụng . 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: Trương Thị hạnh Phúc - chuyên ngành CNPM 10/92 Phân tích dữ liệu không gian GIS-3D và xây dựng ứng dụng . 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 Trương Thị hạnh Phúc - chuyên ngành CNPM 11/92 Phân tích dữ liệu không gian GIS-3D và xây dựng ứng dụng - (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 Loại địa hình 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 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 Trương Thị hạnh Phúc - chuyên ngành CNPM 12/92 Đường dây Phân tích dữ liệu không gian GIS-3D và xây dựng ứng dụng . Cột điện P1.1 P1.2 P1.3 P2.1 P2.2 P2.3 P2.4 P2.5 P3 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 Loại đường dây PT1.1 PT1.2 PT1.3 PT1.4 PT2.1 PT2.2 PT3.1 L3 L2 L2 L1 L4 L4 L5 Điện thế Bảng 1.3: Quan hệ điện thế và phân loại đường dây PT1.1 PT1.2 PT1.3 PT1.4 PT2.1 PT2.2 PT3.1 Cột điện P1.1 P1.2 P1.3 P2.1 P2.2 P2.3 P2.4 P2.5 x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o P3 o o o o x x 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 … Trương Thị hạnh Phúc - chuyên ngành CNPM 13/92 Phân tích dữ liệu không gian GIS-3D và xây dựng ứng dụng . (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. Trương Thị hạnh Phúc - chuyên ngành CNPM 14/92 Phân tích dữ liệu không gian GIS-3D và xây dựng ứng dụng . (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 -. Trương Thị hạnh Phúc - chuyên ngành CNPM 15/92 Phân tích dữ liệu không gian GIS-3D và xây dựng ứng dụng . 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 Trương Thị hạnh Phúc - chuyên ngành CNPM 16/92 Phân tích dữ liệu không gian GIS-3D và xây dựng ứng dụng . 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. Trương Thị hạnh Phúc - chuyên ngành CNPM 17/92 Phân tích dữ liệu không gian GIS-3D và xây dựng ứng dụng . 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]. Trương Thị hạnh Phúc - chuyên ngành CNPM 18/92 Phân tích dữ liệu không gian GIS-3D và xây dựng ứng dụng . 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 MỹNational 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. Trương Thị hạnh Phúc - chuyên ngành CNPM 19/92 Phân tích dữ liệu không gian GIS-3D và xây dựng ứng dụng . (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 SW 1 NW 2 NE 3 SE 4 Các toạ độ địa lý 35 30' -107 37‟30" 35 37‟30" -107 37‟30" 35 37‟30" -107 30‟ 35 30‟ -107 30‟ Trương Thị hạnh Phúc - chuyên ngành CNPM Các toạ độ UTM 261897 3931463 262267 3945330 273590 3945036 273238 3931169 20/92 Phân tích dữ liệu không gian GIS-3D và xây dựng ứng dụng . 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. Trương Thị hạnh Phúc - chuyên ngành CNPM 21/92