Trường Đại học Giao thông vận tải

Bộ môn Tự động hoá thiết kế cầu đường

*****************

BÀI GIẢNG

HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ

LỜI NÓI ĐẦU

Công nghệ thông tin đang được ứng dụng ngày càng rộng rãi trong mọi ngành kinh tế, xã hội. Trong phạm vi thiết kế công trình xây dựng, việc ứng dụng các tiến bộ của công nghệ thông tin đã làm thay đổi hẳn quy trình làm việc của các kỹ sư thiết kế. Máy tính và các hệ thống phần mềm từ chỗ là công cụ hỗ trợ vẽ kỹ thuật (Computer Aided Drawing) đã được phát triển thành các hệ thống hỗ trợ thiết kế đúng nghĩa (Computer Aided Design). Trong quá trình thiết kế, người kỹ sư phải xử lý một khối lượng lớn các thông tin từ nhiều lĩnh vực rất khác nhau để có thể đưa ra được các quyết định kỹ thuật đúng đắn. Chất lượng thông tin, được thể hiện bằng độ chính xác, độ thời sự, luôn đóng vai trò quan trọng trong quá trình ra quyết định này. Các hệ thống phần mềm máy tính hỗ trợ thiết kế, bên cạnh khả năng tính toán kết cấu, hỗ trợ xây dựng bản vẽ, tính dự toán công trình, còn có khả năng tích hợp thông tin từ nhiều nguồn khác nhau cho một mục đích sử dụng nhất định và, qua đó, làm dễ dàng cho người kỹ sư trong công việc của mình.

Cũng như các công trình kỹ thuật khác, các công trình xây dựng được thiết kế và xây dựng cho các mục đích và điều kiện sử dụng nhất định. Một số lượng rất lớn trong số các thông tin được xử lý trong các qúa trình thiết kế và xây dựng này có liên quan trực tiếp hoặc gián tiếp đến vị trí trong không gian của các đối tượng, như sự phân bố dân cư, địa hình, địa mạo, địa chất, thuỷ văn, v.v. của khu vực mà công trình sẽ được xây dựng. Các đối tượng loại này có hai thuộc tính cơ bản: thuộc tính không gian, mô tả vị trí, hình dạng của đối tượng, và thuộc tính chuyên đề, mô tả các tính chất của đối tượng theo một chuyên đề nhất định, như cường độ chịu lực của đất, chiều cao mực nước ngầm. Để phân tích và xử lý thông tin của các đối tượng loại này, một chuyên ngành mới đã được phát triển: ứng dụng công nghệ thông tin để xử lý các đối tượng địa lý hoặc có liên quan đến địa lý. Sản phẩm của chuyên ngành này là các hệ thống thông tin địa lý.

Hệ thống thông tin địa lý là các hệ thống thông tin hỗ trợ việc tiếp nhận, xử lý, phân tích và lưu trữ các thông tin của các đối tượng có liên quan đến địa lý. Sau khi ra đời và khoảng đầu những năm 1960, các hệ thống thông tin địa lý đã được ứng dụng rất rộng rãi trong hầu hết tất cả các ngành kinh tế, kỹ thuật. Việc nghiên cứu và tiếp tục phát triển các hệ thống này cho các chuyên ngành, tuy vậy, vẫn đang được thực hiện một cách mạnh mẽ.

Trong ngành giao thông vận tải, các hệ thống thông tin địa lý đã sớm được ứng dụng để hỗ trợ cho việc quy hoạch và điều khiển giao thông, hướng dẫn phương tiện tham gia giao thông trong việc tìm đường, cứu hộ, v.v. Hiện nay, khó có thể hình dung các phương tiện giao thông đường biển và đường không mà lại không có các hệ thống dẫn đường dựa trên các hệ thống thông tin địa lý.

Trong ngành xây dựng, hệ thống thông tin địa lý đang được nghiên cứu phát triển thành một hệ thống thông tin chuyên dụng đóng vai trò như một cơ sở hạ tầng thông tin cho việc thiết kế, thi công và quản lý các công trình xây dựng.

Trong các trường đại học, môn học “Hệ thống thông tin địa lý” đã được đưa vào giảng dạy cho sinh viên các ngành khác nhau. Đối với sinh viên ngành xây dựng, môn học này có mục đích cung cấp các kiến thức cơ bản về các hệ thống thông tin địa lý cũng như khả năng ứng dụng của chúng vào các ngành kinh tế kỹ thuật, đặc biệt là vào các công tác thiết kế, thi công các công trình xây dựng.

Tài liệu này được biên soạn như các bài giảng nhằm mục đích hỗ trợ sinh viên ngành xây dựng cầu đường trong quá trình học tập và nghiên cứu môn học “Hệ thống thông tin địa lý” ở trường đại học và được chia thành 4 chương.

Chương 1 giới thiệu các nội dung tổng quan, cấu trúc cũng như các khả năng ứng dụng của các hệ thống thông tin địa lý trong các ngành kinh tế, kỹ thuật.

Chương 2 trình bày cấu trúc và các thành phần cơ bản của các hệ thống thông tin địa lý

Trong chương 3, các vấn đề liên quan đến dữ liệu của hệ thống thông tin địa lý như cấu trúc, mô hình hoá, phân tích và thu thập dữ liệu địa lý sẽ được trình bày.

Chương 4 giới thiệu một số hệ thống thông tin địa lý phổ biến cho các ứng dụng phổ thông.

Chương 5 sẽ được dành để trình bày các nội dung chính khi xây dựng một hệ thống thông tin địa lý hỗ trợ thiết kế công trình.

MỤC LỤC

Chương 1 TỔNG QUAN................................................................................... 6

1.1 KHÁI NIỆM VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ......................... 6

1.1.1 Khái niệm về “Hệ thống thông tin” .................................................. 6

1.1.2 Khái niệm về “Hệ thống thông tin địa lý” ........................................ 6

1.2 CÁC CHỨC NĂNG CƠ BẢN CỦA MỘT HTTTĐL.......................... 7

1.2.1 Tiếp nhận, tổ chức và mô hình hoá dữ liệu không gian.................... 7

1.2.2 Tìm kiếm, xử lý và phân tích dữ liệu................................................ 7

1.2.3 Trình bày dữ liệu............................................................................... 7

1.2.4 Trao đổi thông tin với các hệ thống khác.......................................... 7

1.3 CÁC YÊU CẦU CƠ BẢN ĐỐI VỚI HTTTĐL................................... 8

1.4 CÁC ỨNG DỤNG TIÊU BIỂU CỦA CÁC HTTTĐL TRONG KINH TẾ VÀ KỸ THUẬT...................................................................................................... 8

1.4.1 HTTTĐL hỗ trợ quản lý tài nguyên.................................................. 8

1.4.2 HTTTĐL hỗ trợ quy hoạch............................................................... 9

1.4.3 HTTTĐL hỗ trợ quản lý cơ sở hạ tầng ............................................. 9

1.4.4 HTTTĐL trong ngành xây dựng....................................................... 9

1.4.4.1 Hỗ trợ lập quy hoạch xây dựng.................................................. 9

1.4.4.2 Hỗ trợ thiết kế và xây dựng công trình ...................................... 9

1.4.4.3 Hỗ trợ phân tích trạng thái công trình...................................... 10

1.4.5 HTTTĐL trong ngành giao thông................................................... 10

Chương 2 DỮ LIỆU ĐỊA LÝ.......................................................................... 11

2.1 TỔ CHỨC DỮ LIỆU.......................................................................... 11

2.2 MÔ HÌNH HOÁ DỮ LIỆU ................................................................ 12

2.2.1 Mô hình hoá hình học ..................................................................... 13

2.2.1.1 Mô hình hoá hình học theo phương pháp vector ..................... 14

2.2.1.2 Mô hình hoá hình học theo phương pháp raster ...................... 16

2.2.2 Mô hình hoá chuyên đề................................................................... 17

2.3 KHẢO SÁT VÀ THU THẬP THÔNG TIN ĐỊA LÝ........................ 18

2.3.1 Các phương pháp khảo sát trực tiếp................................................ 18

2.3.1.1 Đo đạc ...................................................................................... 18

2.3.1.2 Đo đạc dựa trên hệ thống định vị toàn cầu (GPS) ................... 18

2.3.1.3 Chụp ảnh .................................................................................. 22

2.3.2 Các phương pháp khảo sát gián tiếp ............................................... 23

2.3.3 Cơ sở dữ liệu................................................................................... 24

2.4 PHÂN TÍCH VÀ XỬ LÝ DỮ LIỆU .................................................. 25

2.4.1 Các phương pháp phân tích hình học cơ bản.................................. 25

2.4.2 Các phương pháp phân tích nâng cao ............................................. 29

2.4.2.1 Phương pháp chồng đa giác (polygon overlay) ....................... 29

2.4.2.2 Tìm tuyến tốt nhất .................................................................... 30

2.4.2.3 Mô hình địa hình số ................................................................. 32

Chương 3 CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA MỘT HTTTĐL.................. 35

3.1 PHẦN MỀM ....................................................................................... 35

3.1.1 Khối chương trình tiếp nhận, xử lý đầu vào và mô hình hoá dữ liệu35

3.1.2 Khối chương trình quản lý và lưu trữ dữ liệu ................................. 38

3.1.3 Khối chương trình xử lý và phân tích dữ liệu................................. 39

3.1.4 Khối chương trình xuất dữ liệu....................................................... 39

3.2 PHẦN CỨNG ..................................................................................... 39

Chương 4 CÁC HỆ THỐNG PHẦN MỀM THÔNG DỤNG HỖ TRỢ XÂY DỰNG HTTTĐL 41

4.1 TỔNG QUAN..................................................................................... 41

4.2 CHƯƠNG TRÌNH AUTODESK MAP.............................................. 42

4.2.1 Giới thiệu chung.............................................................................. 42

4.2.2 Sử dụng Autodesk Map .................................................................. 42

4.2.2.1 Tạo dự án (Project) .................................................................. 42

4.2.2.2 Tạo tệp dữ liệu nguồn .............................................................. 43

4.2.2.3 Tìm kiếm dữ liệu...................................................................... 48

Chương 5 XÂY DỰNG HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ HỖ TRỢ THIẾT KẾ CẦU ĐƯỜNG 50

5.1 VAI TRÒ CỦA THÔNG TIN ĐỊA LÝ TRONG THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH GIAO THỐNG .............................................................................................. 50

5.2 CẤU TRÚC HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ HỖ TRỢ THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG...................................................................................... 51

5.2.1 Thông tin địa hình, địa mạo ............................................................ 51

5.2.2 Thông tin thuỷ văn.......................................................................... 52

5.2.3 Thông tin địa chất công trình .......................................................... 53

5.3 CÁC CHỨC NĂNG CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG............................. 54

5.3.1 Xây dựng bề mặt địa hình số .......................................................... 54

5.3.2 Xây dựng mặt cắt địa chất .............................................................. 54

Chương 6 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................. 55

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 KHÁI NIỆM VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ

Hệ thống thông tin địa lý (HTTTĐL), tên tiếng Anh “Geographic Information System” – GIS, đã được sử dụng lần đầu tiên bởi R. F. Tomlinson năm 1963 khi xây dựng một hệ thống thông tin về các dữ liệu không gian của Canada. Với khái niệm này, một công nghệ mới đã xuất hiện: ứng dụng kỹ thuật thông tin vào xử lý các dữ liệu có liên quan đến vị trí không gian (địa lý). Do lịch sử tên gọi nên các hệ thống thông tin này vẫn mang tên là “Hệ thống thông tin địa lý” mặc dù, về mặt bản chất, các thông tin mà chúng xử lý là các thông tin không gian. Một cách chính xác hơn, các hệ thống thông tin này có thể được gọi là “Hệ thống thông tin không gian” – tên tiếng Anh “spatial information system”.

Hiện nay các HTTTĐL đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực kinh tế, kỹ thuật khác nhau nhằm hỗ trợ việc lập quy hoạch phát triển kinh tế của một vùng hoặc toàn quốc, quy hoạch xây dưng, thiết kế, v.v.

1.1.1 Khái niệm về “Hệ thống thông tin”

Một hệ thống với các chức năng cơ bản gồm truy nhập, lưu trữ, xử lý và truy xuất thông tin được gọi là hệ thống thông tin. Hệ thống này bao gồm cả thông tin (dữ liệu) và các chương trình xử lý chúng.

Đặc điểm cơ bản của hệ thống thông tin là khả năng tích hợp thông tin, tức là khả năng mà, qua đó, các thông tin mới được tạo thành trên cơ sở các thông tin đã có thông qua các quy tắc phân tích và xử lý nhất định.

1.1.2 Khái niệm về “Hệ thống thông tin địa lý”

Hệ thống thông tin địa lý là một hệ thống thông tin mà đối tượng của nó là các thông tin (hoặc dữ liệu) liên quan đến vị trí địa lý (không gian). Với hệ thống này, các thông tin không gian được số hoá, xử lý, tổ chức, phân tích cũng như thể hiện dưới các dạng thích hợp như văn bản, đồ hoạ, bảng biểu, v.v. Các công cụ quan trọng được dùng trong các HTTTĐL là các khối chương trình để tiếp nhận, mô hình hoá dữ liệu, phân tích và hỗ trợ tìm quyết định.

Các thông tin địa lý hoặc thông tin không gian ở đây là các thông tin về các đối tượng trên mặt đẩt, như một miền đất, một hệ thống cơ sở hạ tầng, một tuyến đường, v.v. Trong các thông tin này, các dữ liệu giúp xác định một cách trực tiếp hoặc gián tiếp vị trí

của đối tượng trên mặt đất đóng một trò quyết định. Rất nhiều thông tin của các đối tượng trong thế giới thật có chứa các dữ liệu về vị trí của đối tượng trong không gian. Ví dụ, khi thông tin về sự phân bố dân cư đã được thu thập, một điều quan trọng khác được đặt ra là, sự phân bố dân cư này được thu thập ở đâu. Điều này được giải quyết thông qua việc sử dụng một hệ toạ độ, có thể là hệ thống kinh độ, vĩ độ kết hợp với cao độ trên mặt đất. Sức mạnh của các HTTTĐL là khả năng kết nối, tích hợp các nguồn thông tin khác nhau trong các mối liên hệ không gian và khả năng đánh giá chúng dựa trên các quan hệ này. Theo ví dụ trên, sự phân bố dân cư ở các khu vực có thể được đưa ra xem xét, đối chiếu với sự phân bố hệ thống giao thông ở các khu vực đó nhằm đưa ra kết luận: khu vực nào cần thiết phải xây dựng các công trình mới để thỏa mãn nhu cầu đi lại của dân cư và phát triển kinh tế.

Ở mức độ đơn giản nhất, các HTTTĐL có thể so sánh với các bản đồ. Trong thực tế, các bản đồ thường được xây dựng theo các nội dung chuyên môn và yêu cầu sử dụng khác nhau, như bản đồ hành chính, dân cư, địa hình, v.v. Nếu đặt các bản đồ này chồng lên nhau, người dùng có thể nhận được các hình ảnh về sự phân bố dân cư theo các đơn vị hành chính cũng như sự phân bố dân cư theo điều kiện địa hình.

1.2 CÁC CHỨC NĂNG CƠ BẢN CỦA MỘT HTTTĐL

Các chức năng cơ bản của hệ thống thông tin địa lý bao gồm:

1.2.1 Tiếp nhận, tổ chức và mô hình hoá dữ liệu không gian

Nhờ các chức năng này, các thông tin không gian ở các dạng tương tự (analog) như bản đồ, ảnh, v.v. đuợc số hoá, tổ chức thành các đối tượng, sắp xếp theo các mô hình thích hợp và lưu trữ trong các cơ sở dữ liệu

1.2.2 Tìm kiếm, xử lý và phân tích dữ liệu

Đây là chức năng cơ bản nhất của một HTTTĐL. Chức năng này có nhiệm vụ tìm kiếm, tính toán, dẫn xuất và đánh giá các dữ liệu của hệ thống. Kết quả của việc xử lý và phân tích dữ liệu sẽ là cơ sở cho các quyết định của người sử dụng hệ thống.

1.2.3 Trình bày dữ liệu

Một HTTTĐL luôn bao gồm một hoặc nhiều khối chương trình làm nhiệm vụ trình bày dữ liệu của hệ thống dưới các dạng phù hợp như đồ hoạ, văn bản, bảng biểu… giúp cho người dùng dễ dàng sử dụng chúng vào các mục đích nhất định.

1.2.4 Trao đổi thông tin với các hệ thống khác

Đây là một chức năng không thể thiếu đối với các hệ thống thông tin hiện đại. Thông qua các giao diện và chuẩn thông tin thích hợp, thông tin của các hệ thống có thể trao đổi với nhau một cách tự động. Với sự phát triển của Internet và các ứng dụng kèm theo, thông tin giữa các hệ thống có thể được trao đổi không phụ thuộc vào khoảng cách không gian và thời gian.

1.3 CÁC YÊU CẦU CƠ BẢN ĐỐI VỚI HTTTĐL

Các HTTTĐL cần thoả mãn các yêu cầu cơ bản sau:

1 Khả năng quản lý được các lượng lớn thông tin không gian.

2 Khả năng truy cập các thông tin có liên quan đến sự tồn tại, vị trí cũng như tính chất của một khối lớn các đối tượng không gian.

3 Tính thích ứng với các đòi hỏi rất khác nhau của các đối tượng sử dụng khác nhau.

1.4 CÁC ỨNG DỤNG TIÊU BIỂU CỦA CÁC HTTTĐL TRONG KINH TẾ VÀ KỸ THUẬT

Thông tin địa lý được sử dụng ngày càng rộng rãi trong rất nhiều ngành kinh tế kỹ thuật khác nhau. Việc phân tích, xử lý các thông tin này một cách chính xác, đầy đủ và nhanh chóng nhằm, trên cơ sở đó, đưa ra các quyết định đúng đắn về một vấn đề đang là một đòi hỏi của nhiều lĩnh vực khác nhau. Các hệ thống HTTTĐL với các sức mạnh của mình tỏ ra là các công cụ thích hợp đáp ứng được các đòi hỏi đó. Các HTTTĐL đang được sử dụng rộng rãi ở các ngành rất khác nhau. Các ứng dụng tiêu biểu trong số đó là:

1.4.1 HTTTĐL hỗ trợ quản lý tài nguyên

Trong hệ thống này, các thông tin về vị trí, tính chất và tình hình sử dụng của các nguồn tài nguyên như đất đai, nguồn nước, v.v. được lưu trữ và xử lý. Trên cơ sở kết hợp với thông tin của các hệ thống khác như thông tin môi trường, khí hậu, v.v. các thông tin của hệ thống này là cơ sở cho các quy hoạch về phân bố dân cư, phát triển các vùng nông nghiệp, công nghiệp cũng như các hệ thống khác như giao thông, thuỷ lợi, v.v. Ở nước ta, hầu hết các tỉnh thành đều đã có các hệ thống HTTTĐL phục vụ cho mục đích này.

Một số đặc điểm của hệ thống thông tin này là:

1 Các thông tin được quản lý bao gồm sự phân bố trên mặt bằng cũng như cao độ của các đối tượng nhà cửa, ruộng vườn, hệ thống giao thông, thuỷ lợi, v.v.

2 Các thông tin được quản lý đòi hỏi độ chính xác cao vì liên quan đến các yếu tố pháp lý như quyền sử dụng đất.

3 Các chức năng chính của hệ thống bao gồm: lưu trữ, quản lý, truy nhập và truy xuất. Chức năng xử lý thông tin không đóng vai trò nổi bật do thông tin dẫn xuất trong hệ thống không nhiều và đóng vai trò thứ yếu.

1.4.2 HTTTĐL hỗ trợ quy hoạch

Hệ thống này quản lý các thông tin quy hoạch cho một khu vực nhất định. Các đối tượng trong hệ thống này là các đối tượng “quy hoạch”, nghĩa là chưa có trong thực tế. Kết hợp với các hệ thống khác, hệ thống này sẽ giúp trả lời các câu hỏi: “ở đâu, khi nào sẽ diễn ra các hoạt động đang được quy hoạch”, “ai sẽ bị ảnh hưởng bởi quy hoach”…

1.4.3 HTTTĐL hỗ trợ quản lý cơ sở hạ tầng

Hệ thống cơ sở hạ tầng của các khu vực, nhất là các thành phố, đòi hỏi phải được quản lý một cách có hệ thống nhằm tạo cơ sở cho việc sử dụng chúng một cách có hiệu qủa cũng như hỗ trợ cho việc quy hoạch phát triển của khu vực. HTTTĐL quản lý cơ sở hạ tầng có thể được xây dựng theo mục đích sử dụng như quản lý hệ thống cấp nước, hệ thống thoát nước, hệ thống các đường cung cấp các dịch vụ khác như điện thoại, truyền hình. v.v. Nhờ hệ thống này, các nhà lập quy hoạch xây dựng có thể nhìn thấy trước các vấn đề sẽ phải xử lý khi xây dựng công trình.

1.4.4 HTTTĐL trong ngành xây dựng

HTTTĐL đã và đang được sử dụng rộng rãi trong ngành xây dựng. Các ứng dụng chính của nó có thể được nêu ra ở đây là:

1.4.4.1 Hỗ trợ lập quy hoạch xây dựng

Trên cơ sở các thông tin đã được quản lý về phân bố đất đai, dân cư cũng như quy hoạch chung toàn khu vực, các nhà lập quy hoạch có thể xây dựng được quy hoạch xây dựng riêng cho các khu vực.

1.4.4.2 Hỗ trợ thiết kế và xây dựng công trình

Khi thiết kế và xây dựng công trình, các hệ thống HTTTĐL có thể cung cấp cho các kỹ sư các thông tin kỹ thuật cần thiết như: điều kiện địa hình, địa chất, thuỷ văn, v.v. của khu vực xây dựng, tình hình phân bố vật liệu xây dựng cũng như các cơ sở xây dựng trong khu vực. Dựa vào các thông tin này, các kỹ sư có thể đưa ra các quyết định về loại công trình hoặc cấu kiện cũng như các biên pháp thi công thích hợp. Trong các công trình

xây xen, bên cạnh sự phù hợp về kiến trúc thì sự phù hợp về kỹ thuật giữa các công trình đang tồn tại và công trình mới, ví dụ như sự phù hợp về kết cấu móng, luôn luôn cần phải được tuân thủ chặt chẽ. HTTTĐL, với ý nghĩa là hệ thống thông tin tích hợp, có thể cung cấp thông tin chi tiết cần thiết về các công trình đang tồn tại xung quanh công trình mới sẽ được xây dựng.

1.4.4.3 Hỗ trợ phân tích trạng thái công trình

Các thông tin về môi trường như độ ẩm, độ mặn của không khí, nước cùng các thông tin về địa chất, thuỷ văn, v.v. được lưu trữ trong các HTTTĐL có thể được dùng để phân tích và đánh giá sơ bộ các nguyên nhân hư hỏng công trình.

1.4.5 HTTTĐL trong ngành giao thông

Trong ngành giao thông vận tải, các HTTTĐL đã được sử dụng hết sức rộng rãi để hỗ trợ điều khiển các phương tiện giao thông, tìm kiếm, cứu hộ. Thông qua các hệ thống định vị và các HTTTĐL chuyên ngành, các hệ thống thông tin có thể xác định chính xác vị trí của các đối tượng tham gia giao thông từ đó xác định được đường ngắn nhất hoặc hợp lý nhất đên một đích xác định. HTTTĐL cũng có thể xác định được các cơ sở cứu hộ gần nhất đến đối tượng tham gia giao thông đang cần hỗ trợ.

CHƯƠNG 2 DỮ LIỆU ĐỊA LÝ

2.1 TỔ CHỨC DỮ LIỆU

Cũng như các bản đồ, các HTTTĐL được xây dựng với các mục đích sử dụng nhất định, như hệ thống thông tin môi trường, hệ thống thông tin mạng lưới giao thông, v.v. Các mục đích sử dụng này được mô hình hoá thành các phạm vi chuyên môn hay phạm vi vấn đề (problem domain) của hệ thống. Một HTTTĐL có thể hỗ trợ một hay nhiều phạm vi chuyên môn có nội dung gần nhau.

Các đối tượng trong một phạm vi chuyên môn lại có thể được tổ chức theo các chuyên đề khác nhau. Ví dụ, các đối tượng trong mạng lưới giao thông có thể tổ chức thành chuyên đề đường, chuyên đề cầu. Các chuyên đề này, đến lượt mình, lại có thể được chia thành các chuyên đề nhỏ hơn, ví dụ, chuyên đề đường có thể bao gồm đường quốc lộ, đường tỉnh lộ, v.v (hình vẽ 1). Việc phân chia chuyên để, chuyên đề phụ thuộc vào yêu cầu sử dụng của hệ thống và thường được chia theo ý nghĩa chuyên môn của đối tượng.

Hình vẽ 1 Ví dụ cấu trúc dữ liệu

Để mô hình hoá một cách tách biệt các chủ đề, các HTTTĐL thường sử dụng phương pháp lớp (layer). Một chủ đề được mô tả trong 1 hoặc nhiều lớp. Một chuyên đề lớn có thể được xây dựng từ các chuyên đề nhỏ hơn bằng cách ghép chồng các lớp của các chủ đề này lại với nhau (hình vẽ 2).

Hình vẽ 2 Các lớp chuyên đề trong một HTTTĐL

Các HTTTĐL hiện đại có thể hỗ trợ phương pháp hướng đối tượng, theo đó, các chủ đề cũng được mô hình hoá thành các đối tượng. Quan hệ giữa chủ đề và các đối

tượng địa lý của được xây dựng dựa trên ý nghĩa chuyên môn. Một đối tượng địa lý có thể phục vụ cho nhiều chủ đề khác nhau.

2.2 MÔ HÌNH HOÁ DỮ LIỆU

Các đối tượng trong các HTTTĐL được mô tả bởi các dữ liệu cơ bản là dữ liệu hình học và dữ liệu chuyên đề (hình vẽ 3).

Dữ liệu hình học là các dữ liệu “địa lý”, mô tả hình dạng và vị trí hình học của đối tượng trong một hệ toạ độ nhất định, ví dụ một đối tượng được mô tả trong mặt phẳng bởi một đường tròn có bán kính R và tâm ở toạ độ X, Y. Các HTTTĐL dùng điểm, đường và miền làm các đại lượng hình học cơ sở. Các hệ thống hiện đại có thể hỗ trợ các dữ liệu hình học 3 chiều thông qua việc sử dụng các khối (solid element). Hình vẽ 4 mô tả các đại lượng hình học cơ sở này. Các đối tượng trong hệ thống được mô tả bởi môt hay nhiều các đối tượng hình học cơ bản kể trên. Các điểm đo địa hình thường được thể hiện ở dạng điểm, các hố khoan địa chất có thể ở dạng điểm hay một miền, tùy theo tỷ lệ của hệ thống.

MÆt Khèi§uêng§iÓm

Dữ liệu chuyên đề là loại dữ liệu phi địa lý, mô tả các thuộc tính theo một chuyên đề nhất định của đối tượng trong hệ thống, như số làn xe của các tuyến đường, công suất của các trạm trộn bê tông nhựa, v.v. Các dữ liệu này cũng được hệ thống xử lý tương tự như các dữ liệu hình học hoặc topo, ví dụ, hệ thống có thể thực hiện các tìm các tìm kiếm có dạng “tìm kiếm các cầu cần sửa chữa trên quốc lộ 1A”. Về mặt bản chất, dữ liệu hình học, topo và dữ liệu chuyên đề đều là các thuộc tính của các đối tượng trong hệ thống. Các dữ liệu chuyên đề có thể có dạng bất kỳ như số, văn bản, v.v. Các HTTTĐL hiện đại (multimedia GIS: HTTTĐL đa phương tiện) có thể hỗ trợ các dữ liệu đa truyền thông, như ảnh, phim, các siêu văn bản.

2.2.1 Mô hình hoá hình học

Mô hình hoá hình học là quá trình mô tả, lưu trữ và xử lý các thông tin hình học của các đối tượng trong hệ thống thông qua các phương pháp phân tích và gần đúng hoá. Các HTTTĐL thường dùng 2 phương pháp chính để mô hình hoá hình học là phương

pháp vector và phương pháp raster.

2.2.1.1 Mô hình hoá hình học theo phương pháp vector

Theo phương pháp vector, các thực thể hình học được mô hình hoá dựa trên sự kết hợp topo các đại lượng hình học cơ bản như điểm, đường, mặt (miền) và khối, trong đó điểm là các đại lượng thông tin cơ sở. Về mặt cấu trúc dữ liệu, đường được xây dựng từ các điểm, miền được tạo bởi các đường và khối được tạo thành từ các mặt.

Điểm được coi là đại lượng cơ sở (không cần biểu diễn thông qua các đại lượng khác) trong biểu diễn vector. Điểm được xác định thông qua các toạ độ X, Y, Z trong hệ toạ độ 3 chiều, hoặc kinh độ, vĩ độ, độ cao trong hệ toạ độ kinh, vĩ tuyến, v.v.

Đường là thực thể hình học được biểu diễn thông qua các quan hệ giữa các tọa độ. Thông thường, đường được xác định thông qua các điểm, ví dụ, đường thẳng được mô tả bởi 2 điểm, đường cong được biểu diễn bởi 3 hay nhiều hơn các điểm.

Mặt (miền) là một phần mặt phẳng được tạo ra bởi các cạnh (đường).

2.2.1.1.1 Topo

Topo mô tả quan hệ về vị trí trong không gian của các đối tượng, ví dụ, đoạn L được xây dựng từ 2 điểm (theo thứ tự) P1 và P2, hoặc miền A được tạo bởi các đoạn (theo thứ tự) L1, L2, L3, L4. Các thông số hình học của các đối tượng này, như toạ độ các điểm Pi, chiều dài các đoạn Li, không đóng vai trò gì trong các quan hệ này (hình vẽ 5). Các hệ thống CAD (Computer Aided Design) cũng như các HTTTĐL dùng khái niệm topo để xây dựng các đối tượng hình học phức tạp trên cơ sở các đối tượng hình học cơ sở.

Sự khác nhau của dữ liệu hình học so với dữ liệu topo là ở chỗ, khi thay đổi hệ toạ độ, dữ liệu topo được giữ nguyên, trong khi đó, dữ liệu hình học lại thay đổi. Ví dụ để so sánh hai khái niệm này là một quả bóng cao su. Các dữ liệu hình học mô tả hình dạng của

quả bóng và các dữ liệu topo mô tả quan hệ vị trí giữa các điểm trên bề mặt của nó. Khi quả bóng bị biến dạng, hình dạng hình học bị thay đổi nhưng quan hệ vị trí giữa các điểm (topo) trên bề mặt vẫn cố định

Hình vẽ 5 Quan hệ topo của các đối tượng hình học

Ví dụ về việc sử dụng hai loại dữ liệu này là cách thể hiện mạng lưới giao thông của một khu vực. Sơ đồ mạng lưới xe buýt trong thành phố được thể hiện dưới dạng topo. Trong sơ đồ này, các thông tin về các tuyến xe và các trạm đỗ được trình bày. Khoảng cách cũng như hình dáng hình học của các đoạn đường không đóng vai trò quan trọng và, vì vậy, chỉ được thể hiện ước lệ. Trong khi đó, bản đồ giao thông của khu vực, được thể hiện dưới dạng các thông tin hình học, lại thể hiện đầy đủ các chi tiết của hệ thống giao thông như vị trí và hình dạng chính xác của từng tuyến đường, cầu cống, v.v.

Quan hệ topo giữa các bộ phận trong một đối tượng hình học thường được mô tả thông qua các biểu đồ (graph). Biểu đồ này thường có dạng cây để mô tả các đối tượng có dạng mạng lưới gồm các điểm và các đoạn giữa nối điểm, ví dụ sơ đồ mạng lưới xe buýt hoặc sơ đồ mạng lưới hệ thống cấp, thoát nước. Biểu đồ có dạng lưới phẳng khi mô tả các đối tượng phức tạp hơn như các mặt hoặc khối. Thông qua biểu đồ này, các quan hệ topo như láng giềng, nằm trong, v.v của các thực thể hình học được xác định (hình vẽ 6).

Hình vẽ 6 Các quan hệ topo đơn giản

Các dữ liệu hình học, topo và các đại lượng dẫn xuất từ chúng như diện tích, chiều dài, v.v. cho phép hệ thống thực hiện các tìm kiếm hình học hoặc tìm kiếm topo dưới dạng:

“Tìm các khu vực đất xây dựng có diện tích lớn hơn 1000 m2”,

“Tìm các nhà nằm cạnh khu vực đang xây dựng”, v.v.

Dữ liệu vector thích hợp với các hệ thống có tỷ lệ lớn 1:100 đến 1:10000. Các đặc trưng cơ bản của dữ liệu vector là:

• Có thể mô tả chính xác các đối tượng hình học.

• Dễ tạo được liên hệ giữa dữ liệu hình học với các dữ liệu chuyên đề.

• Dữ liệu được khảo sát thông qua các điểm nên thời gian tiếp nhận dữ liệu lớn.

• Dữ liệu cần không gian lưu trữ nhỏ, thời gian xử lý ngắn.

2.2.1.2 Mô hình hoá hình học theo phương pháp raster

Hình vẽ 7 Dữ liệu Raster mô tả các đối tượng hình học

a) Điểm, đường, miền phẳng b) Khối c) Mặt không gian

Ở dạng raster, đối tượng hình học cơ bản là các chấm (pixel – picture elements), về thực chất, đây là một miền hình học. Ở đây, một đại lượng hình học được mô tả thông qua một bảng 2 chiều (trong các HTTTĐL 2 chiều) hoặc bảng 3 chiều (trong các HTTTĐL 3 chiều) và tập hợp các thông tin của các ô trong bảng đó. Thông tin của các ô trong bảng bao gồm vị trí (thông qua dòng và cột) và thông tin được chứa đựng trong chính các ô đó như màu của ô. Ví dụ, khi xử lý ảnh hàng không, cao độ các điểm được

xác định nhờ màu của từng ô trong ảnh đó.

Các thực thể dạng điểm được mô tả bởi 1 chấm (pixel), các thực thể dạng đường được mô tả bởi một dãy các chấm và thực thể dạng mặt được mô tả bởi hàng loạt các chấm (hình vẽ 7). Các dữ liệu biến thiên liên tục như chiều cao địa hình, sự phân bố nước ngầm, v.v. có thể được mô tả gần đúng thông qua một ma trận các chấm.

Trong dạng dữ liệu này, các thực thể hình học (pixel) không có mối quan hệ logic với nhau. Dữ liệu raster thông thường được dùng để mô tả và xử lý các dữ liệu có từ việc số hoá các nguồn dữ liệu tương tự (analog) như ảnh hàng không, ảnh vũ trụ hoặc bản đồ…

Dữ liệu raster thích hợp với các hệ thống có tỷ lệ nhỏ, miền hợp lý của chúng là 1:10.000 đến 1:1.000.000. Các đặc trưng cơ bản của loại dữ liệu này là:

• Có cùng cấu trúc cho các thực thể hình học khác nhau (điểm, đường, mặt, v.v). Việc xử lý các thực thể hình học này, do đó, được thực hiện giống nhau.

• Hạn chế trong việc liên kết dữ liệu hình học với các dữ liệu chuyên đề.

1. Khảo sát và thu thập dữ liệu đơn giản, tốn ít thời gian.

1. Dữ liệu cần không gian lưu trữ và thời gian xử lý lớn.

2.2.2 Mô hình hoá chuyên đề

Mô hình hoá chuyên đề là quá trình mô tả, xử lý và lưu trữ các dữ liệu chuyên đề của các đối tượng địa lý. Tương tự dữ liệu hình học, các dữ liệu chuyên đề có thể được mô tả như là các thuộc tính của đối tượng. Một đối tượng có thể thuộc các chuyên đề khác nhau và, ứng với mỗi chuyên đề, đối tượng đó có các thuộc tính tương ứng.

Trong hầu hết các HTTTĐL phổ biến hiện nay, dữ liệu chuyên đề được mô hình hoá và lưu trữ trong các bảng của các cơ sở dữ liệu quan hệ. Phù hợp với cách mô hình hoá này, dữ liệu chuyên đề phải được mô tả bởi các kiểu dữ liệu mà hệ thống hỗ trợ như kiểu số nguyên, kiểu ký tự, v.v. Bảng 1 mô tả một ví dụ về mô hình hoá dữ liệu chuyên để thông qua các bảng của cơ sở dữ liệu.

Đường

Tên thuộc tính Kiểu dữ liệu Giá trị ví dụ

Tên Ký tự A1

Số làn xe số nguyên 6

Cấu trúc mặt đường Ký tự Bê tông nhựa

Bảng 1 Ví dụ dữ liệu chuyên đề

Một số HTTTĐL như AutodeskMap hỗ trợ 2 dạng cơ sở dữ liệu: cơ sở dữ liệu trong và cơ sở dữ liệu ngoài. Cơ sở dữ liệu trong là loại hệ thống tự quản lý mà không đòi hỏi có các phần mềm khác. Cơ sở dữ liệu ngoài là cơ sở dữ liệu được xây dựng và quản lý bởi các hệ thống phần mềm khác. Trước khi hệ thống làm việc được với các cơ sở dữ liệu này, chúng phải được kết nối với hệ thống thông qua các giao diện thích hợp do hệ thống cung cấp.

2.3 KHẢO SÁT VÀ THU THẬP THÔNG TIN ĐỊA LÝ

Dữ liệu địa lý là một phần cơ bản của HTTTĐL. Tính chính xác và đầy đủ trong việc khảo sát, tiếp nhận và chuyển đổi dữ liệu (từ các dạng tương tự sang dạng số) luôn đóng vai trò quyết định đến chất lượng thông tin của hệ thống. Việc khảo sát dữ liệu địa lý có thể được thực hiện theo 2 phương pháp cơ bản: phương pháp khảo sát trực tiếp và phương pháp khảo sát gián tiếp.

2.3.1 Các phương pháp khảo sát trực tiếp

Khảo sát trực tiếp là các phương pháp đo đạc và thu thập dữ liệu trực tiếp trên đối tượng. Tùy thuộc vào chuyên đề mà có các phương pháp khảo sát và thu thập dữ liệu khác nhau. Đối với dữ liệu địa hình, các phương pháp khảo sát chính bao gồm: đo đạc, chụp ảnh, v.v. Một số phương pháp điều tra khác khác như interview có thể được áp dụng khi khảo sát các dữ liệu chuyên đề như thủy văn hay các chuyên đề có tính xã hội.

2.3.1.1 Đo đạc

Đo đạc bao gồm các biện pháp nhằm xác định các thuộc tính hình học, topo cơ bản của các đối tượng trên bề mặt đất. Việc đo đạc trên mặt đất được thực hiện thông thường theo nguyên tắc từ lớn đến nhỏ: đo đạc toàn cầu, đo đạc quốc gia, đo đạc khu vực và đo đạc địa phương. Đo đạc toàn cầu nhằm xác định các thông tin cơ bản về hình dạng quả đất cũng như các hệ toạ độ toàn cầu. Đo đạc ở quy mô quốc gia nhằm xây dựng lưới đo đạc cơ bản toàn quốc. Dữ liệu của lưới đo đạc quốc gia được tính toán dựa trên dữ liệu đo đạc toàn cầu thông qua các hệ toạ độ như Gauss-Krueger, UMT (Univesal Transverse Mecartor), v.v. Thời gian gần đây, hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) đã và đang được áp dụng rộng rãi trong đo đạc quốc gia. Đo đạc địa phương hoặc đo đạc chi tiết được dựa trên mạng lưới đo đạc quốc gia. Công tác đo đạc này cung

cấp các thông tin chi tiết về một địa phương hoặc một vùng và, trong các đo đạc có tỷ lệ lớn, các đối tượng quan trọng trong vùng đó. Trong đo đạc khu vực, toàn đạc là phương pháp được sử dụng phổ biến nhất hiện nay để xác định vị trí, hình dạng và chiều cao của của các đối tượng địa lý.

2.3.1.2 Đo đạc dựa trên hệ thống định vị toàn cầu (GPS)

1. Giới thiệu chung

Hệ thống định vị toàn cầu (Global Positioning System – GPS) là hệ thống hoạt động toàn cầu dựa trên sóng radio. Hệ thống này bao gồm 24 vệ tinh địa tĩnh và các trạm điều khiển trên mặt đất. Hiện tại có một trạm điều khiển chính và 4 trạm điều khiển phụ, tất cả đều nằm trên lãnh thổ của Mỹ.

Để xác định vị trí của một điểm trên bề mặt đất, người ta sử dụng các thiết bị thu sóng radio phát ra từ các vệ tinh – các thiết bị này được gọi là các thiết bị thu GPS (GPS-Receiver). Các thiết bị thu này có cấu tạo rất đơn giản và điều này làm cho hệ thống GPS trở nên kinh tế và do đó được sử dụng rất phổ biến.

GPS được coi như là một hệ thống “sao nhân tạo” – các điểm tham chiếu – để xác định vị trí các điểm trên bề mặt đất với độ chính xác ở mức độ mét. Trong thực tế, với việc sử dụng thêm một số kỹ thuật hỗ trợ như DGPS, độ chính xác có thể lên đến mức cm, hoàn toàn thỏa mãn các yêu cầu kỹ thuật thông thường. Với GPS có thể “điạ chỉ hóa” một cách chính xác từng mét vuông trên bề mặt đất.

GPS hoạt động theo nguyên tắc thụ động nghĩa là các sóng được phát ra từ các vệ tinh mà không phải từ các thiết bị thu.

1. Nguyên tắc hoạt động của hệ thống GPS

o Vị trí được xác định theo nguyên tắc tam giác.

o Tam giác được xác định dựa trên khoảng cách từ máy thu GPS đến vệ tinh. Khoảng cách được xác định dựa trên thời gian đi của sóng radio.

o Sử dụng các đồng hồ có độ chính xác cực cao để đo thời gian đi của sóng.

o Xác định chính xác vị trí của vệ tinh trên quỹ đạo

o Xử lý được các lỗi có thể có trong quá trình thu và xử lý sóng radio

1. Nguyên tắc tam giác

Vị trí của một điểm trong không gian có thể được xác định thông qua khoảng cách từ điểm đó đến các điểm đã biết khác.

Nếu chỉ dựa vào một điểm cho trước, vị trí của điểm cần xác định sẽ nằm trên một

mặt cầu có tâm là điểm cho trước và bán kính là khoảng cách từ điểm cần xác định đến điểm cho trước đó. Với 2 điểm cho trước, vị trí cần xác định nằm trên đường tròn giao của 2 mặt cầu. Nếu có thêm điểm thứ 3, vị trí cần xác định là một trong 2 điểm giao của một đường tròn với một mặt cầu. Đối với các ứng dụng trên mặt đất, người ta dễ dàng chọn một trong 2 điểm đó làm điểm thích hợp vì chỉ một trong 2 điểm đó nằm trên mặt đất và điểm còn lại nằm ở đâu đó trong không gian.

Hình vẽ 8 Mô hình hoạt động của GPS

Nguyên tắc xác định vị trí của một điểm dựa trên 3 điểm cho trước gọi là nguyên tắc tam giác.

Trong thực tế, các hệ thống GPS cần ít nhất 4 vệ tinh để xác định chính xác vị trí trên mặt đất. Vai trò của vệ tinh thứ tư sẽ được trình bày ở phần sau.

Nguyên tắc đo khoảng cách

Khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu được xác định thông qua thời gian đi của sóng radio từ vệ tinh đến máy thu đó.

Thời gian đi của sóng radio được xác định thông qua các mã đã được thống nhất giữa vệ tinh và máy thu (pseudo-random codes – pCode). Pseudo-random codes là một mã digital rất phức tạp bao gồm một tập hợp các giá trị “on”, “off”. Trong mã đó có rất nhiều thông tin như tên vệ tinh, thời gian phát sóng dựa trên đồng hồ của vệ tinh, cao độ của quỹ đạo và nhiều thông tin khác nữa. Các ứng dụng dân sự thông thường chỉ được phép mã hóa một phần các thông tin kể trên. Mỗi vệ tinh có một mã riêng của mình. Nhờ tính phức tạp của mã nên tất cả các các vệ tinh có thể dùng chung một tần số phát sóng mà mã phát ra không sợ bị lẫn với các vệ tinh khác. Mã này cũng có thể dễ dàng được khuếch đại nhờ các các biện pháp xử lý thông tin. Điều này làm cho các máy thu có cấu tạo đơn giản và là nguyên nhân giúp cho GPS được sử dụng phổ biến như hiện nay.

Dựa trên sự so sánh về chênh lệch thời gian giữa lúc phát (ở vệ tinh) và lúc thu (ở

máy thu), máy thu dễ dàng tính được khoảng cách từ nó đến vệ tinh.

D = Δt * v

Δt là chênh lệch thời gian đã nêu trên.

v là tốc độ của sóng radio = 300.000 km/s

Điều quan trọng ở đây là xác định được chính xác sự chênh lệch thời gian giữa lúc phát và lúc thu sóng do đại lượng này được xác định từ hai thiết bị có hai đồng hồ khác nhau.

Nguyên tắc đo thời gian

Như trên đã nói, một trong những vấn đề quan trọng nhất khi định vị bằng GPS là xác định được chính xác sự chênh lệch thời gian giữa lúc phát và lúc thu sóng. Có thể chấp nhận là thời gian phát sóng ở vệ tinh được xác định chính xác, do vệ tinh có 4 đồng hồ nguyên tử với độ chính xác đến 3 nano giây (0.000000003 giây). Tuy nhiên, đồng hồ ở máy thu không có được độ chính xác cao như vậy (các đồng hồ nguyên tử có giá rất cao, hàng trăm ngàn USD).

Để đảm bảo độ chính xác cần thiết về thời gian, các máy thu GPS sử dụng thêm một vệ tinh thứ tư, ngoài 3 vệ tinh cần thiết để xác định khoảng cách đã nêu trên.

Nếu đồng hồ của máy thu hoạt động chính xác, vị trí của máy thu được xác định qua vệ tinh thứ tư phải trùng với vị trí đã được xác định bởi 3 vệ tinh trước đó (giao điểm của 4 mặt cầu). Nếu đồng hồ hoạt động không đúng, sẽ có sự chênh lệch về vị trí được xác định qua các vệ tinh này. Máy thu sẽ tiến hành điều chỉnh đồng hồ của mình để có được sự trùng hợp về vị trí và qua đó có được sự chính xác cao về thời gian. Như vậy, nhờ vệ tinh thứ tư, các đồng hồ thông thường ở các máy thu GPS có được độ chính xác của đồng hồ nguyên tử.

Điều khiển quỹ đạo của vệ tinh

Các vệ tinh đóng vai trò tham chiếu khi xác định vị trí nên vị trí của chúng có ý nghĩa quyết định. Người dùng thông thường không thực hiện được các điều khiển về vị trí của vệ tinh. Các điều khiển này chỉ được thực hiện bởi bộ Quốc phòng Mỹ. Thông qua các trạm điều khiển phụ, người ta có thể xác định được vị trí của từng vệ tinh và thực hiện các điều chỉnh quỹ đạo cần thiết.

Các lỗi phổ biến

Các phép đo dựa trên GPS cũng có các lỗi nhất định. Vận tốc sóng radio được giả thiết là hằng số, tuy nhiên điều này chỉ đúng khi sóng đó chi chuyển trong không gian, khi đi vào khí quyển trái đất giá trị này bị thay đổi do tầng điện ly và hơi nước có trong

tầng đối lưu. Ngoài ra sóng radio cũng có các nhiễu nhất định trước khi đi đến máy thu. Đồng hồ của vệ tinh có độ chính xác cao nhưng không có nghĩa là chính xác tuyệt đối. Với tốc độ cao của sóng radio, một sai số nhỏ về thời gian cũng dẫn đến sai số lớn về khoảng cách. Thông thường, vị trí được xác định bằng GPS có sai số khoảng 10m như được liệt kê sau đây.

Các lỗi chủ yếu và giá trị về khoảng cách là:

Lỗi Gía trị

Do tầng điện ly 4.0 m

Do đồng hồ của vệ tinh 2.1 m

Do lịch thiên văn 2.1 m

Do tầng đối lưu 0.7 m

Do máy thu 0.5 m

Do nhiễu sóng 1.0 m

Tổng cộng 10.4 m

DGPS

Để khắc phục các lỗi kể trên, người ta sử dụng phương pháp GPS chênh lệch DGPS (Diffential GPS). Ở đây, khi xác định ví trí còn tham chiếu đến một vị trí đã được xác định chính xác từ trước. Căn cứ vào sự chênh lệch vị trí khi đo hiện thời của điểm tham chiếu, người ta dễ dàng điều chỉnh được các chênh lệch so sai số kể trên sinh ra.

Độ chính xác của DGPS có thể ở mức cm.

Hình vẽ 9 Nguyên tắc hoạt động của DGPS

2.3.1.3 Chụp ảnh

Một phương pháp quan trọng để khảo sát thông tin cho các HTTTĐL là phương pháp chụp ảnh. Ảnh có thể được chụp qua các máy ảnh chuyên dụng trên máy bay hoặc vệ tinh và phụ thuộc vào khả năng của máy chụp mà có thể ở dạng thông thường (đen-trắng hoặc màu), dạng hồng ngoại, viba, laser, v.v. Các ảnh đã được chụp sẽ được số hoá và phân tích nhờ các chương trình chuyên dụng của các HTTTĐL. Hiện nay, phương pháp ảnh hàng không là phương pháp cơ bản đế xây dựng các mô hình địa hình số (một dạng mô tả địa hình phổ biến của các HTTTĐL).

Hình vẽ 10 Nhận dạng đối tượng và xây dựng bề mặt số từ ảnh hàng không

2.3.2 Các phương pháp khảo sát gián tiếp

Khảo sát gián tiếp là các phương pháp khai thác và truy nhập dữ liệu cho một mục đích nhất định trên cơ sở các dữ liệu đã được khảo sát nhưng nhằm mục đích khác. Các dữ liệu có được qua khảo sát gián tiếp thông thường có độ chính xác thấp hơn các dữ liệu nguồn. Khảo sát gián tiếp thường là việc số hoá các dữ liệu analog sẵn có. Trước khi xuất hiện các HTTTĐL, hàng loạt dữ liệu và bản đồ đã được khảo sát và xây dựng. Đây chính là một nguồn dữ liệu quan trọng cho các HTTTĐL hiện nay. Ngoài ra, các ảnh hàng không, các cơ sở dữ liệu của các ứng dụng khác cũng là các nguồn dữ liệu quan trọng. Việc số hoá có thể tiến hành thủ công, bán tự động và tự động thông qua các máy chụp (scanner). Hình vẽ 9 mô tả việc số hoá các bản đồ sẵn có để nhập số liệu cho hệ thống.

Hình vẽ 9 Số hoá dữ liệu từ các bản đồ có sẵn

2.3.3 Cơ sở dữ liệu

Trong các HTTTĐL các cơ sở dữ liệu luôn đóng một vai trò trung tâm. Các cơ sở

dữ liệu có nhiệm vụ lưu trữ và quản lý dữ liệu của hệ thống. Khác với cách lưu trữ dữ liệu thông qua các tệp dữ liệu (file) đơn giản, việc sử dụng các cơ sở dữ liệu mang lại các lợi ích cơ bản như:

Tổ chức và quản lý dữ liệu: các cơ sở dữ liệu có khả năng tổ chức và quản lý dữ liệu một cách tối ưu. Việc truy xuất và truy nhập dữ liệu, do đó, được thực hiện nhanh chóng, đặc biệt là trong môi trường có nhiều người sử dụng.

An toàn dữ liệu: các cơ sở dữ liệu có khả năng đảm bảo an toàn dữ liệu thông qua các cơ chế bảo mật cao.

Phục hồi dữ liệu: là khả năng của các cơ sở dữ liệu có thể phục hồi được các dữ liệu bị mất do hư hỏng hệ thống.

2.4 PHÂN TÍCH VÀ XỬ LÝ DỮ LIỆU

Các HTTTĐL cần cung cấp các khả năng phân tích và xử lý dữ liệu của hệ thống, bao gồm các dữ liệu địa lý và phi địa lý (dữ liệu chuyên đề).

2.4.1 Các phương pháp phân tích hình học cơ bản

Cogo (COmputational GeOmetry) là tập hợp các phép tính cơ bản về các đại lượng hình học như tính chiều dài, khoảng cách, hướng, góc (hình vẽ 10)

Hình vẽ 10 Các đại lượng COGO cơ bản

Khoảng cách giữa 2 điểm:

22 )()( uvuvuv yyxxD −+−=

Hướng

)tan(

uv

uvuv xx

yyaT

−−

=

Góc

ijikkij TTA −=

Diện tích đa giác

∑= ++ ++=n

i iiii yyxxF1 11 ))((5.0

Chu vi đa giác

∑= ++ −+−=n

i iiii yyxxU1

21

21 )()(

Xây dựng vùng đệm: Xây dựng vùng đệm là bài toán, cho trước một đối tượng hình học (điểm, đường hoặc mặt), yêu cầu xác định (xây dựng) một

vùng không gian chứa các điểm có khoảng cách đến đối tượng đã cho nhỏ hơn 1 giá trị xác định. Bài toán dạng này hay được gặp khi tính toán quy hoạch. Ví dụ, khi quy hoạch xây dựng một tuyến đường qua một khu phố, bằng phép toán xây dựng vùng đệm, người kỹ sư có thể xác định được các nhà cần phải được giải toả - tức là các nhà nằm trong vùng đệm của tuyến đường đang quy hoạch (hình 11).

Vung dem

Duong chuan

Hình vẽ 11 Vùng đệm

Xây dựng lưới tam giác. Đây là các thuật toán quan trọng trong các HTTTĐL. Một ứng dụng điển hình của thuật toán này là mô hình cao độ số (digital elevation model - DEM) hoặc mô hình địa hình số (digital tarrain model - DTM) . Với một tập hợp điểm cho trước, thuật toán này cho phép xây dựng một bề mặt phản ánh tương đối trung thực hình thái của khu vực chứa tập hợp điểm trên. Phương pháp phổ biến cho thuật toán này là phương pháp Tam giác Delaunay. Phương pháp này dựa trên một số quy ước sau:

o 3 điểm tạo thành 1 tam giác khi hình tròn ngoại tiếp tam giác đó không chứa bất cứ 1 điểm nào khác.

o Các tam giác của miền được tạo thành không có phần chồng lên nhau

o Toàn bộ miền là một đa giác lồi

o Sự phân bố các tam giác duy nhất, không phụ thuộc vào quá trình xử lý của hệ thống.

A

Hình vẽ 12 Tập hợp điểm

0

5

4

3

21

Hình vẽ 13 Phương pháp Delaunay

Hình vẽ 14 Lưới tam giác

Các hình vẽ 12, 13, 14 mô tả lưới tam giác xây dựng theo phương pháp Delaunay.

Miền bao. Miền bao là thuật toán xây dựng các miền chứa các điểm gần nhất đến một điểm cho trước. Miền này được xây dựng được tạo ra từ các đường trung bình của các đoạn thẳng nối từ điểm đang xét đến các điểm lân cận nó. Miền bao có thể được sử dụng để xác định miền ảnh hưởng của các đối tượng trong hệ thống (Hình vẽ 15).

Hình vẽ 15 Miền bao

Nội suy và xấp xỉ

Nội suy là phương pháp xác định các thuộc tính, ví dụ chiều cao, của các đối tượng thông qua các thuộc tính tương ứng của các đối tượng khác đã được xác định trước. Để nội suy các thuộc tính không gian, các HTTTĐL sử dụng các phép nội suy lưới chữ nhật, tam giác hoặc tuyến tính (hình vẽ 16).

P (x,y,?)

2 (x,y,z)

1 (x,y,z)

P (x,y,?)

3 (x,y,z) 2 (x,y,z)

1 (x,y,z)

P (x,y,?)

3 (x,y,z)4 (x,y,z)

2 (x,y,z)1 (x,y,z)

Hình vẽ 16 Các dạng nội suy

2.4.2 Các phương pháp phân tích nâng cao

Các phương pháp phân tích nâng cao được phát triển dựa trên các phương pháp phân tích cơ bản của phần trên. Nhóm các phương pháp phân tích nâng cao bao gồm phương pháp “chồng đa giác”, phân tích mạng lưới, tìm đường tốt nhất và quy hoạch vị trí.

2.4.2.1 Phương pháp chồng đa giác (polygon overlay)

Đây là phương pháp tạo ra dữ liệu mới trên từ các dữ liệu ban đầu thông qua các phép toán chồng hình học. Căn cứ vào đặc trưng hình học-topo của dữ liệu ban đầu mà phương pháp này có thể được phân thành: “điểm giao đa giác”, “đường giao đa giác” và “đa giác giao đa giác”.

Điểm giao đa giác được dùng khi các đối tượng của dữ liệu xuất phát có dạng hình học là các điểm, miền tìm kiếm được mô tả bằng một đa giác (hình vẽ 17). Kểt quả của phép giao là một tập hợp điểm mới. Ví dụ về loại bài toán này là “tìm các trạm khai thác đá xây dựng trong một khu vực”. Ở đây, các trạm khai thác đá, ví dụ của toàn quốc, được hệ thống quản lý thành các điểm. Khu vực được hệ thống thể hiện bằng một đa giác.

Ket quaDiem giao Da giacTap hop diem

Hình vẽ 17 Điểm giao đa giác

Đường giao đa giác. Trong trường hợp này, dữ liệu xuất phát có dạng hình học là các đường. Kết quả của phép phân tích này là một tập hợp đường mới, nằm trong đa giác mô tả miền tìm kiếm. Ví dụ về loại bài toán này là “tìm hệ thống đường cho phép xe tải hoạt động trong một quận của thành phố”. Tập hợp các tuyến đường cho phép xe tải hoạt động trong toàn thành phố có thể được coi là dữ liệu xuất phát cho bài toán. Đa giác hình bao của khu vực hành chính quận là miền tìm kiếm. Bằng phép lấy giao của tập hợp đường và đa giác nói trên, hệ thống sẽ tìm ra được hệ thống đường cần thiết (hình vẽ 18).

Tap hop duong Duong giao Da giac Ket qua

Hình vẽ 18 Đường giao đa giác

Đa giác giao đa giác được áp dụng khi tìm kiếm các đối tượng có dạng hình học là các mặt đa giác và miền tìm kiếm cũng có dạng đa giác. Ví dụ cho trường hợp này là các bài toán dạng “tìm các khu vực quy hoạch xây dựng có nền đất yếu”. Ở đây có 2 tập hợp đa giác, tập hợp đa giác thứ nhất thể hiện các

khu vực quy hoạch xây dựng và tập hợp còn lại là các khu vực có nền đất yếu. Giao của hai tập hợp đa giác này là kết quả cần tìm (hình vẽ 19).

Ket quaDa giac giao Da giacTap hop da giac

Hình vẽ 19 Đa giác giao đa giác

2.4.2.2 Tìm tuyến tốt nhất

Tìm tuyến tốt nhất là một trong những bài toán quan trọng nhất trong nhóm bài toán phân tích mạng lưới của các HTTTĐL. Mục tiêu của bài toán này là tìm đường tốt nhất nối 2 điểm trong một mạng lưới (Hình vẽ 20). Tốt nhất ở đây có thể được định nghĩa là tuyến ngắn nhất hoặc tuyến qua ít điểm giao (nút) nhất. Tương ứng với hai định nghĩa này là hai phương pháp tìm khác nhau.

Hình vẽ 20 Tuyến tốt nhất trong một mạng lưới

Tuyến ngắn nhất được tìm nhờ các thông số hình học như chiều dài của quãng đường. Tuyến dạng này thường được gọi là tuyến hình học. Tuyến qua ít điểm giao nhất được tìm thông qua các dữ liệu topo. Số lượng các đoạn và cũng là số lượng các nút trong toàn tuyến là chỉ tiêu đánh giá. Tuyến được xây dựng theo phương pháp này được gọi là tuyến topo.

Tuyến tốt nhất được áp dụng rộng rãi trong ngành giao thông vận tải từ việc tìm đường tốt nhất cho các phương tiện giao thông giữa 2 điểm bất kỳ đến việc quy hoạch giao thông cho cả một khu vực. Hình vẽ 21 thể hiện việc sơ đồ phân tích và quy hoạch giao thông cho thành phố Leipzig - Cộng hoà liên bang Đức. Hình trên bên phải thể hiện mật độ giao thông của thành phố trước khi quy hoạch. Hình dưới bên phải trình bày một phương án xây dựng đường vành đai và mật độ giao thông của nó trên cớ sở phương pháp tìm tuyến tốt nhất.

Hình vẽ 21 Ứng dụng phương pháp tìm tuyến tốt nhất cho quy hoạch giao thông

2.4.2.3 Mô hình địa hình số

Mô hình địa hình số (tiếng Anh: Digital Terrain Model - DTM), có khi còn được gọi là mô hình cao độ số (tiếng Anh: Digital Elevation Model - DEM) là một phương pháp quan trọng thể hiện bề mặt đất của một khu vực. Trong mô hình này, các thông số về cao độ của các điểm, và qua đó, các thông số dẫn xuất như độ dốc, đường phân thuỷ, đường hợp thuỷ của một khu vực được thể hiện. Mô hình địa hình số đã được mở rộng để thể hiện các dữ liệu không phải là địa hình của khu vực như mật độ phân bố dân cư, phân bố lượng mưa. Trong các mô hình này, các chiều x,y thể hiện vị trí và chiều z thể hiện thông tin đang được quan tâm của đối tượng (cao độ, mật độ phân bố, v.v.).

Mô hình địa hình số thường được xây dựng trên cơ sở một tập hợp các điểm đo bằng việc áp dụng phương pháp lưới ma trận độ cao hoặc lưới tam giác bất quy tắc (xem phần 3.4.1. Các phương pháp phân tích hình học cơ bản). Hình vẽ 22 trình bày một kết quả xây dựng mô hình địa hình số theo phương pháp lưới tam giác bất quy tắc.

Hình vẽ 22 Mô hình địa hình số theo phuong pháp lưới tam giác bất quy tắc

Trong phương pháp lưới đồng đều, cao độ của các điểm trong khu vực được xác

định tại các điểm nút của một lưới đồng đều phủ lên mặt bằng của khu vực. Cao độ của các điểm nút, trong trường hợp các điểm này không trùng với các điểm đo, được tính nội suy từ các điểm lân cận theo các phương pháp nội suy đa giác như phương pháp Newton hoặc phương pháp Lagrange (hình vẽ 23, 24). Phương pháp này đặc biệt thích hợp khi xây dựng mô hình địa hình số trên cơ sở các bản đồ với các đường đồng mức có sẵn.

Hình vẽ 23 Lưới mặt bàng theo phương pháp Ma trận độ cao

Hình vẽ 24 Kết quả mô hình địa hình số theo phương pháp Ma trận độ cao

Mô hình địa hình số đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực kinh tế, kỹ

thuật, quốc phòng. Lợi thế của mô hình này là khả năng mô tả một cách trực quan tổng thể một khu vực và, quan trọng hơn, hỗ trợ một cách chính xác các phép toán trên đó. Trong ngành xây dựng giao thông, mô hình địa hình số hỗ trợ việc quy hoạch địa điểm các công trình phù hợp với cao độ khu vực, hỗ trợ tính toán mặt cắt dọc, ngang của tuyến đường cũng như các khối lượng đào đắp. Ngoài ra, mô hình này cho phép kiểm tra một cách trực quan việc thiết kế công trình trên cơ sở mô hình 3 chiều toàn bộ khu vực (hình vẽ…).

CHƯƠNG 3 CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA MỘT HTTTĐL

Một HTTTĐL bao gồm các hệ thống phần mềm (software) và các thiết bị phần cứng (hardware) chuyên dụng.

3.1 PHẦN MỀM

Phần mềm (software) nói chung là một hệ thống các chương trình máy tính có liên quan logic với nhau và dữ liệu như là đối tượng của chúng. Dựa trên chức năng của mình, các hệ thống phần mềm có thể được chia thành 3 loại cơ bản: phần mềm hệ thống bao gồm hệ điều hành và các giao diện của chúng, phần mềm cơ sở bao gồm các ứng dụng cơ sở như cơ sở dữ liệu và các thư viện mà, dựa trên chúng, các phần mềm khác được xây dựng, và phần mềm ứng dụng là các hệ thống phần mềm được xây dựng với các mục đích sử dụng cụ thể. Việc phân loại này, tuy vậy, hoàn toàn mang tính tương đối: một phần mềm được coi là phần mềm ứng dụng nhưng đồng thời lại là phần mềm cơ sở của phần mềm khác.

Trong các HTTTĐL, phần mềm là tập hợp các chương trình và khối chương trình nhằm hoàn thành các nhiệm vụ của một HTTTĐL (so sánh với mục 1.3). Dựa trên các chức năng của mình, một HTTTĐL có thể bao gồm các chương trình hoặc khối chương trình chính như sau:

3.1.1 Khối chương trình tiếp nhận, xử lý đầu vào và mô hình hoá dữ liệu

Nhập dữ liệu bao gồm tất cả các quá trình chuyển đổi dữ liệu sẵn có ở dạng tương tự (analog) như bản đồ, bản vẽ, dữ liệu quan trắc, đo đạc thành các dạng số tương thích. Khối chương trình này có các nhiệm vụ chính sau:

Số hoá dữ liệu: Việc số hoá nhằm chuyển đổi các dữ liệu dưới các dạng tương tự (analog) như bản đồ, hình ảnh, hình vẽ, v.v. thành dữ liệu dạng số (digital). Việc số hoá dữ liệu bao gồm 2 nội dung chính: đa giác hoá và xây dựng đối tượng. Đa giác hoá là quá trình liên kết các các đối tượng dạng đường đã được số hoá thành đa giác. Xây dựng đối tượng là quá trình xây dựng các đối tượng trong hệ thống từ các thông tin đã được số hoá. Thuộc về quá trình này còn cả các việc nhập dữ liệu chuyên đề cho đối tượng. Hình vẽ 25 trình bày quá trình số hoá dữ liệu và xây dựng đối tượng trong cơ sở dữ liệu.

124123

6 5

4

3

21

Hình vẽ 25 Số hoá và xây dựng đối tượng

Tiếp nhận và phân tích dữ liệu đo đạc: Đây là quá trình chuyển đổi số liệu đo đạc như góc, khoảng cách, v.v. thành các dữ liệu toạ độ. Một số thiết bị đo đạc hiện đại như các máy toàn đạc điện tử có thể tính toán trực tiếp các dữ liệu toạ độ này trong quá trình đo đạc và chuyển giao chúng cho các HTTTĐL. Trong trường hợp này, việc tính toán chuyển đổi và bổ sung dữ liệu là không cần thiết nữa.

Chuyển đổi: Rất nhiều dữ liệu không gian của HTTTĐL có được từ việc số hoá bản đồ và ảnh hàng không với các hệ quy chiếu và tỷ lệ riêng. Để các dữ liệu này có thể được lưu trữ và xử lý thống nhất trong hệ thống, chúng cần được chuyển đổi vào một hệ quy chiếu và tỷ lệ chung đã được xây dựng và quy định cho toàn hệ thống (hình vẽ 26).

Hình vẽ 26 Chuyển đổi dữ liệu

Hình trái Dữ liệu gốc

Hình phải Dữ liệu sau khi chuyển đổi vào toạ độ hệ thống

Chuyển đổi kiểu dữ liệu: Là quá trình chuyển đổi và tích hợp dữ liệu dạng lưới quét (raster) thành dạng vector và ngược lại (hình 27). Lý do của việc chuyển đổi này là sự tận dụng các lợi thế của từng dạng dữ liệu trong việc phân tích và trình bày dữ liệu không gian.

Hình vẽ 27 Chuyển đổi kiểu dữ liệu

Tham chiếu và mã hoá địa lý (geocoding): Đây là quá trình gắn kết các dữ liệu không gian với các đối tượng phi địa lý của hệ thống dựa trên các thông tin tham chiếu của chúng. Rất nhiều đối tượng được đưa vào hệ thống chỉ với các thông tin có tính tham chiếu địa lý như địa chỉ, lý trình, v.v. mà không có các thông tin trực tiếp về không gian, như toạ độ. Để thực hiện các quá trình phân tích sau này, cần thiết phải bổ sung các dữ liệu không gian cho các đối tượng này. Các thông tin không gian trực tiếp của đối tượng chỉ có được sau một loạt các tính toán chuyển đổi cần thiết dựa trên thông tin không gian của các đối tượng có cùng tham chiếu. Ví dụ về quá trình này là việc xây dựng một đánh giá về ảnh hưởng của môi trường các vùng đến ăn mòn carbonat trong bê tông dựa trên số liệu đo đạc ở một loạt các công trình ở các vùng địa lý khác nhau. Vị trí của các công trình thường được xác định một cách gián tiếp thông qua các dữ liệu tham chiếu như lý trình (Quốc lộ 1A, Km 300 + 150), địa chỉ (xã A, huyện B, tỉnh C), v.v. Các dữ liệu tham chiếu này có thể không xử lý được ở các HTTTĐL về môi trường, do đó cần phải quy đổi chúng về hệ toạ độ chung thông qua các hệ thống toạ độ giao thông, hành chính, v.v. Hình vẽ 28 trình bày các bước cơ bản của quá trình mã hoá địa lý.

Hình vẽ 28 Mã hoá địa lý

3.1.2 Khối chương trình quản lý và lưu trữ dữ liệu

Đây là một hoặc một nhóm chương trình có nhiệm vụ chính là quản lý và lưu trữ các dữ liệu của hệ thống. Cốt lõi của khối chương trình này là các cơ sở dữ liệu và một số giao diện hỗ trợ việc truy nhập, truy xuất dữ liệu từ cơ sở dữ liệu. Hiện nay có rất nhiều hệ thống cơ sở dữ liệu với các mô hình dữ liệu khác nhau, như cơ sở dữ liệu quan hệ, cơ sở dữ liệu hướng đối tượng, cơ sở dữ liệu cấu trúc, cơ sở dữ liệu mạng lưới, v.v. Về mặt lý thuyết, cơ sở dữ liệu phù hợp nhất cho các HTTTĐL là cơ sở dữ liệu hướng đối tượng. Tuy nhiên, do lịch sử và tính phổ biến của mình, các cơ sở dữ liệu quan hệ đang được sử dụng rộng rãi nhất trong thực tế. Khi phát triển các HTTTĐL, các cơ sở dữ liệu thường được chọn tuỳ theo quy mô của hệ thống. Đối với các hệ thống có dung lượng thông tin cần quản lý và nhu cầu truy cập thông tin lớn, các cơ sở dữ liệu nên dùng là các hệ thống khách chủ (client-server) như ORACLE, MS-SQL… Các cơ sở dữ liệu nhỏ (desktop-database) như MS-ACCESS, FoxPro, v.v. phù hợp với các HTTTĐL có dung lượng thông tin không lớn và việc truy cập thông tin chi được thực hiện trong một mạng máy tính nhỏ.

Trong các cơ sở dữ liệu quan hệ, dữ liệu được tổ chức thành các bảng với các kiểu dữ liệu được hệ thống định sẵn. Ngoài các kiểu dữ liệu này, cơ sở dữ liệu không hỗ trợ các kiểu dữ liệu khác do người dùng tự xây dựng. Đây là một trong các điểm khác cơ bản của hệ thống cơ sở dữ liệu quan hệ so với hệ thống cơ sở dữ liệu hướng đối tượng, nơi mà người dùng có thể xây dựng các kiểu dữ liệu mới, phù hợp với nhu cầu sử dụng của mình. Các phiên bản mới của cơ sở dữ liệu ORACLE đã hỗ trợ một loại dữ liệu mới, đặc

biệt phù hợp với dữ liệu của các HTTTĐL - dạng dữ liệu không gian (spatial data type).

3.1.3 Khối chương trình xử lý và phân tích dữ liệu

Khối chương trình này bao gồm các chương trình thực hiện các chức năng quan trọng nhất của HTTTĐL, làm cho hệ thống này có các tính năng cơ bản khác biệt với các bản đồ thông thường.

Truy vấn dữ liệu: Đây là các chức năng tìm kiếm và xuất dữ liệu thoả mãn các điều kiện hình học nhất định như: “tìm kiếm các điểm cách 1 điểm cho trước với 1 khoảng cách nhất định”, hoặc “tìm kiếm các đối tượng nằm cạnh 1 đối tượng cho trước”. Dựa trên các chức năng cơ sở này, bằng việc bổ sung các thông tin có tính chủ đề khác, hệ thống có thể thực hiện được các chức năng tìm kiếm nâng cao như: “tìm kiếm các trạm cung cấp đá làm đường cách trạm trộn một khoảng cách nhất định”, v.v.

Đo đạc, đếm và tính toán các đối tượng hình học: Đây là chức năng cơ bản tính toán các thông số hình học cho các đối tượng trong hệ thống như khoảng cách, góc, diện tích, chu vi, chênh lệch cao độ, v.v.

3.1.4 Khối chương trình xuất dữ liệu

Thuộc về khối này gồm chương trình phục vụ cho việc xuất dữ liệu và trình bày chúng dưới các dạng thích hợp như đồ hoạ, bảng, biểu đồ, văn bản hoặc các dạng kết hợp của chúng. Với từng dạng dữ liệu, hệ thống cần cung cấp các chức năng như phóng to, thu nhỏ (zoom), làm nổi (highlight), v.v. với các góc nhìn (view) khác nhau.

3.2 PHẦN CỨNG

Phần cứng bao gồm các thiết bị vật lý hỗ trợ cho việc thu thập, xử lý, lưu trữ và hiển thị thông tin.

Ngoài các thiết bị thông thường như máy tính và các thiết bị ngoại vi kèm theo các HTTTĐL còn có các thiết bị phần cứng chuyên dụng phục vụ các nhiệm vụ

Số hoá dữ liệu analog: scanner và thiết bị số hoá (digitalizer).

Đo đạc: Các thiết bị đo đạc như máy toàn đạc, máy nhận thông tin GPS.

Hình vẽ 29 thể hiện một số thiết bị phần cứng điển hình của các HTTTĐL

Hình vẽ 29 Các thiết bị phần cứng cơ bản trong các HTTTĐL

CHƯƠNG 4 CÁC HỆ THỐNG PHẦN MỀM THÔNG DỤNG HỖ TRỢ XÂY DỰNG HTTTĐL

4.1 TỔNG QUAN

Các HTTTĐL đang được ứng dụng hết sức rộng rãi trong rất nhiều ngành kinh tế xã hội. Để đáp ứng nhu cầu này hàng loạt các hệ thống phần mềm và phần cứng phục vụ cho việc xây dựng các HTTTĐL đã được phát triển. Hiện tại có trên 50 hệ thống phần mềm với các khả năng và môi trường hoạt động khác nhau đã được phát triển xây dựng trên thế giới. Dựa trên quy mô và môi trường hoạt động của mình, các hệ thống phần mềm này có thể chia thành một số loại cơ bản sau:

HTTTĐL để bàn (desktop GIS). Đây là các hệ thống có quy mô nhỏ, phục vụ chủ yếu cho một khu vực hoặc chuyên ngành hẹp và cho một hoặc một nhóm nhỏ người dùng. Đặc điểm của loại này là:

o Phần giao diện đồ hoạ gắn liền với hệ thống.

o Dễ sử dụng, quản lý và bảo trì.

o Chi phí đầu tư ban đầu và chi phí duy trì hoạt động nhỏ.

o Dung lượng dữ liệu được quản lý nhỏ.

o Môi trường hoạt động chủ yếu là PC với hệ điều hành MS-Windows.

Các ví dụ cho loại hệ thống này là AutodeskMap, MapInfo, ARCVIEW-GIS.

HTTTĐL tổng hợp. Đây là các hệ thống lớn, quản lý các thông tin địa lý cho các khu vực hoặc nhiều chuyên ngành lớn. Các hệ thống này cung cấp trọn vẹn các chức năng quan trọng của các HTTTĐL như tiếp nhận, xử lý, phân tích, lưu trữ và trình bày dữ liệu. Một số đặc điểm cơ bản của các hệ thống loại này là

o Dung lượng dữ liệu được quản lý lớn.

o Số người truy cập đồng thời lớn.

o Chi phí đầu tư ban đàu và để duy trì hoạt động lớn

o Môi trường hoạt động PC với hệ điều hành MS-Windows hoặc các hệ thống máy UNIX.

Các ví dụ cho loại hệ thống này là ARC/Info, Sicad, Smallworld GIS

4.2 CHƯƠNG TRÌNH AUTODESK MAP

4.2.1 Giới thiệu chung

Autodesk Map là một phần mềm hỗ trợ phát triển các HTTTĐL để bàn (desktop GIS). Đây là một chương trình mở rộng cho các ứng dụng địa lý của AutoCad, một phần mềm hỗ trợ thiết kế nổi tiếng của hãng Autodesk. AutoCad là một hệ thống phần mềm mở, hỗ trợ phát triển các ứng dụng trên nền của nó thông qua các giao diện với VBA (VisualBasic for Application), AutoLISP và ObjectARX. ObjectARX là một thư viện C++ của Autodesk, cho phép các ứng dụng bên ngoài can thiệp vào các đối tượng của AutoCad. Autodesk Map đã được chính Autodesk phát triển dựa vào ObjectARX.

Do hoạt động trên nền AutoCad nên Autodesk Map kế thừa các chức năng đồ hoạ tương tác nổi tiếng của AutoCad, một chức năng quan trọng của các HTTTĐL để tiếp nhận, mô hình hoá và trình bày dữ liệu hình học của các đối tượng địa lý.

Để quản lý các dữ liệu chuyên đề của các đối tượng, Autodesk Map hỗ trợ cả 2 loại cơ sở dữ liệu trong và dữ liệu ngoài thông qua các giao diện trực tiếp với các cơ sở dữ liệu như MS-Access, dBase, MS-Excel, Paradox, v.v. hoặc thông qua các giao diện ODBC (Open Data Base Connectivity), OLEDB (Object Link and Embeded Data Base) để kết nối với các cơ dữ liệu khác như Oracle, MS-SQLServer, v.v.

Khi thực hiện tìm kiếm và phân tích dữ liệu, Autodesk Map phân biệt 2 loại dữ liệu: dữ liệu đồ hoạ với các thuộc tính bên trong của nó như chiều dài, diện tích, góc, v.v. của đối tượng và dữ liệu chuyên đề với các thuộc tính do người dùng định nghĩa. Autodesk Map hỗ trợ hầu hết các tìm kiểm, phân tích topo cơ bản như tìm đối tượng trong một miền xác định, đối tượng bên cạnh một đối tượng cho trước, v.v. Với một vài thao tác đơn giản, Autodesk Map cho phép thực hiện các phân tích phức tạp như tìm tuyến ngắn nhất giữa hai điểm cho trước trong một mạng lưới, tìm “vết nước dâng”, v.v.

Do Autodesk Map là một phần mở rộng của AutoCad nên Autodesk Map cũng hỗ trợ các tính năng mở rộng như AutoCad, nghĩa là, người dùng có thể thông qua các giao diện như VBA, AutoLISP và ObjectARX can thiệp vào các dữ liệu đồ hoạ của đối tượng. Ngoài ra Autodesk còn cung cấp một thư viện ObjectARX riêng cho Autodesk Map, thông qua đó, người dùng có thể can thiệp được vào các đối tượng địa lý của hệ thống để phát triển các ứng dụng riêng của mình.

4.2.2 Sử dụng Autodesk Map

4.2.2.1 Tạo dự án (Project)

Một dự án (project) trong Autodesk Map là một tệp tin có dạng dwg của AutoCad có chứa

các kết nối với các bản vẽ nguồn (cũng là các bản vẽ AutoCad),

các cơ sở dữ liệu ngoài,

các nội dung tìm kiếm

và các thông tin cài đặt chung của dự án.

Hình vẽ 4.1 giới thiệu cấu trúc cơ bản của một dự án trong Autodesk Map.

Hình vẽ 4. 1 Cấu trúc cơ bản của một dự án Autodesk Map

Tất cả các cài đặt của một dự án trong Autodesk Map được thực hiện trong cửa sổ Workspace. Các tệp tin nguồn là các tệp tin cung cấp dữ liệu cho dự án. Thông thường, các tệp tin này phải được tạo ra trước khi dự án được xây dựng. Kết quả của việc tìm kiếm, phân tích dữ liệu trên các tệp tin nguồn được trình bày trên tệp tin hiện hành của dự án.

4.2.2.2 Tạo tệp dữ liệu nguồn

Một tệp tin nguồn chứa các dữ liệu của các đối tượng địa lý như dữ liệu hình học và các dữ liệu chuyên đề. Các dữ liệu hình học được đưa vào tệp tin bằng các cách thông thường như khi làm việc với bản vẽ AutoCad.

4.2.2.2.1 Tạo và kết nối dữ liệu chuyên đề

Các dữ liệu chuyên đề, như đã được nêu lên ở phần trên, có thể được lưu trữ trong các cơ sở dữ liệu trong bản thân bản vẽ AutoCad hoặc trong các cơ sở dữ liệu ngoài.

4.2.2.2.1.1 Các bước thực hiện định nghĩa và đưa số liệu chuyên đề bằng cơ sở dữ liệu trong:

Tạo bảng chứa dữ liệu: tên bảng, các thuộc tính (hình vẽ 4.2).

o Menu Map-> Object Data-> Define Object Data-> New Table

o Đặt tên bảng và tên các cột thuộc tính

Hình vẽ 4. 2 Định nghĩa dữ liệu chuyên đề bằng cơ sở dữ liệu trong

Nhập dữ liệu vào bảng và kết nối với dữ liệu hình học (hình vẽ 4.3)

o Menu Map-> Object Data-> Attach/Detach Object Data

o Nhập dữ liệu vào bảng

o Kết nối với đối tượng hình học (Nút Attach to Object)

Hình vẽ 4. 3 Nhập và kết nối dữ liệu chuyên đề với dữ liệu hình học

4.2.2.2.1.2 Các bước thực hiện định nghĩa và đưa số liệu chuyên đề bằng cơ sở dữ liệu ngoài:

Các cơ sở dữ liệu ngoài được thiết kế và tạo dựng dựa trên các hệ quản trị cơ sở dữ liệu hoặc các phần mềm chuyên dụng tương ứng. Trong phạm vi của Autodesk Map người dùng chỉ có khả năng tạo các liên kết với các cơ sở dữ liệu này và sử dụng chúng. Như đã được nhắc đến ở phần trên, Autodesk Map có thể liên kết với các cơ sở dữ liệu ngoài thông qua các giao diện trực tiếp do chính Autodesk Map cung cấp. Trong phiên bản 2004, Autodesk Map hỗ trợ các cơ sở dữ liệu: MS-Access, dBase và FoxPro, Paradox, MS-Ecxel. Thông qua ODBC Autodesk Map có thể liên kết được với hầu hết tất cả các cơ sở dữ liệu ngoài hỗ trợ giao diện này. Để có thể liên kết với ODBC, người dùng phải định nghĩa nguồn dữ liệu ODBC (ODBC Data Sources).

Liên kết với cơ sở dữ liệu qua các giao diện trực tiếp

o Workspace-> thư mục Data Sources-> menu Attach->Giao diện Attach Data Source

o Chọn loại cơ sở dữ liệu cần liên kết trong Files of type

o Chọn tên file của cơ sở dữ liệu (hình 4.4)

Hình vẽ 4. 4 Chọn cơ sở dữ liệu ngoài

Liên kết với cơ sở dữ liệu qua giao diện ODBC

o Định nghĩa nguồn dữ liệu ODBC. Nguồn dữ liệu ODBC được định nghĩa trong nhóm công cụ quản trị (Administrative Tools) của hệ điều hành Windows. Người dùng phải có quyền Quản tri hệ thống mới có thể định nghĩa nguồn dữ liệu ODBC. Hình 4.5 trình bày cách định nghĩa một nguồn dữ liệu ODBC từ cơ sở dữ liệu GiaoThông.mdb.

o Liên kết với cơ sở dữ liệu qua giao diện ODBC. Sau khi nguồn dữ liệu ODBC đã được định nghĩa, Autodesk Map liên kết với nguồn dữ liệu theo cách tương tự như liên kết với các files cơ sở dữ liệu trực tiếp với kiểu file udl.

Hình vẽ 4. 5 Tạo nguồn dữ liệu ODBC

Hình vẽ 4. 6 Liên kết dữ liệu chuyên đề với dữ liệu hình học

4.2.2.3 Tìm kiếm dữ liệu

Để tìm kiếm các dữ liệu trong các tệp tin nguồn thoả mãn các điều kiện cho trước, người dùng phải xây dựng các điều kiện tìm kiếm. Trong Autodesk Map, các điều kiện tìm kiếm được xây dựng dựa trên

các ràng buộc topo (cho các dữ liệu hình học) như vị trí,

các thuộc tính hình học như diện tích, chiều dài, cao độ của các đối tượng hình học,

các dữ liệu chuyên đề trên các cơ sở dữ liệu trong hoặc ngoài.

Các điều kiện tìm kiếm có thể kết hợp với nhau theo các toán tử logic VÀ (And), HOẶC (Or) và KHÔNG (Not). Các cơ sở dữ liệu ngoài được dùng trong các tệp tin nguồn cũng bắt buộc phải được kết nối trong dự án để có thể xây dựng và thực hiện các tìm kiếm với các dữ liệu của chúng.

Ví dụ, tìm các tuyến đường có số làn xe nhiều hơn 4 (và) nằm trong một khu vực cho trước. Ở đây, “số làn xe” là thuộc tính thuộc dữ liệu chuyên đề (xem mục 2.2.2.1) và “nằm trong một khu vực” là ràng buộc topo. Điều kiện tìm kiếm này được xây dựng theo các bước sau:

Xây dựng điều kiện ứng với thuộc tính “Số làn xe”

o Menu Map->Query->Define Query->Giao diện “Define Query”

o Chức năng “Data” -> Giao diện “Data Condition”

o Nếu dữ liệu chuyên đề được lưu trữ với cơ sở dữ liệu trong, chọn “Object Data”, trường hợp với cơ sở dữ liệu ngoài, chọn Database Link.

o Đưa điều kiện “Số làn xe” (hình 4.7)

Xây dựng điều kiện ứng với ràng buộc “nằm trong một khu vực”

o Chức năng “Location” -> Giao diện “Location Condition”->Polygon

o Xác định polygon thể hiện “khu vực” trên bản vẽ của dự án

Đặt quan hệ giữa 2 điều kiện là VÀ (And)

Hình vẽ 4. 7 Điều kiện tìm kiếm với dữ liệu chuyên đề

Hình vẽ 4. 8 Điều kiện tìm kiếm với quan hệ topo

CHƯƠNG 5 XÂY DỰNG HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ HỖ TRỢ THIẾT KẾ CẦU ĐƯỜNG

5.1 VAI TRÒ CỦA THÔNG TIN ĐỊA LÝ TRONG THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH GIAO THỐNG

Việc thiết kế các công trình cho cơ sở hạ tầng giao thông vận tải như đường, cầu, hầm, v.v, cũng tương tự như đối với các công trình kỹ thuật khác, đòi hỏi phải xử lý một lượng lớn thông tin từ rất nhiều lĩnh vực khác nhau. Rất nhiều trong các thông tin này có tính chất địa lý, nghĩa là, thông tin có liên quan trực tiếp hoặc gián tiếp đến vị trí trong không gian của các đối tượng. Theo tính chất của mình, các thông tin này có thể được phân thành các nhóm chính như:

Thông tin về quy hoạch phát triển vùng.

Thông tin kinh tế xã hội: thực trạng sự phân bố dân cư cũng như các cơ sở kinh tế kỹ thuật của khu vực.

Thông tin kỹ thuật:

o Địa hình, địa mạo.

o Địa chất công trình, thuỷ văn công trình.

o Môi trường, v.v.

Chỉ sau khi phân tích một cách chính xác, đầy đủ các thông tin kể trên người thiết kế mới có khả năng đưa ra được các phương án thiết kế phù hợp với các yêu cầu xã hội, kinh tế và kỹ thuật. Hình 5.1 trình bày một cách khái quát ảnh hưởng của từng loại thông tin địa lý đến các quyết định trong quá trình thiết kế.

Cho đến hiện nay, các thông tin nói trên hoặc thiếu, hoặc đã được khảo sát, thu thập nhưng ở mức độ chính xác thấp. Ngoài ra, các thông tin này hầu hết được các cơ quan, tổ chức khác nhau thu thập và quản lý. Tính tương thích giữa chúng, nói chung, còn rất thấp. Việc tích hợp các thông tin này thành một hệ thống thống nhẩt nhằm mục đích hỗ trợ một cách đầy đủ qúa trình thiết kế đang là một yêu cầu lớn cho cả nghiên cứu và thực tế sản xuất. Các HTTTĐL, với khả năng tích hợp thông tin của mình, tỏ ra là một công cụ thích hợp để tạo ra một cơ sở hạ tầng thông tin trọn vẹn hỗ trợ đầy đủ các quá trình thiết kế.

Mục đích của chương này là trình bày các nội dung chính để xây dựng một HTTTĐL chuyên ngành hỗ trợ các quá trình thiết kế công trình.

Hình vẽ 5. 1 Sơ đồ ảnh hưởng của thông tin địa lý đến thiết kế công trình

5.2 CẤU TRÚC HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ HỖ TRỢ THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG

Hệ thống thông tin địa lý hỗ trợ thiết kế công trình được xây dựng trên cơ sở phân tích vai trò và ảnh hưởng của từng loại thông tin đến quá trình thiết kế như đã được chỉ ra ở trên. Khi xây dựng hệ thống, một trong những nội dung quan trọng nhất là xây dựng được cấu trúc dữ liệu của từng loại đối tượng cũng như quan hệ giữa chúng trong một môi trường thông tin thống nhẩt. Một cách tổng quát, hệ thống có cấu trúc chính như được mô tả bởi hình vẽ

5.2.1 Thông tin địa hình, địa mạo

Địa hình là tập hợp các đối tượng mô tả hình dạng, bề mặt của một khu vực. Nhóm các đối tượng địa hình bao gồm các đối tượng tự nhiên như đồi núi, sông ngòi, ao hồ, v.v. Các đối tượng này thường được xác định thông qua một tập hợp các điểm đo với 3 thông tin địa lý cơ bản là toạ độ X, Y và cao độ H cùng với các thông tin chuyên đề như tên của điểm đo, tên của đối tượng mà chúng mô tả, qua đó các điểm có thể tập hợp lại được với nhau. Thông qua các thông số này, các hệ thống có thể thể hiện địa hình địa mạo của khu vực dưới dạng bản đồ đường đồng mức, mô hình bề mặt số, v.v.

Các thông tin địa hình của khu vực có thể được tổ chức thành 1 lớp trong các hệ thống phổ biến hiện nay

Hình vẽ 30 Cấu trúc cơ bản của hệ thống

5.2.2 Thông tin thuỷ văn

Thuỷ văn công trình được mô tả bởi tập hợp các thông tin về:

Đặc tính sông ngòi, ao hồ: diện tích, lượng trữ nước, chiều sâu, chiều rộng, chiều dài, nguồn cấp nước.

Mực nước (cao nhất, thấp nhất), lưu lượng, tốc độ, quy luật lên xuống của mực nước.

Đặc tính lũ lụt: tần suất, thời gian lũ lụt, cao độ mực nước.

Các thông tin kể trên, về thực chất, là các thông tin phi địa lý, mô tả các thuộc tính về chuyên đề “thuỷ văn công trình” của các đối tượng tự nhiên sông, hồ, v.v. Các thông tin này được mô hình hoá và quản lý dưới dạng các bảng. Các bảng 2 và 3 mô tả ví dụ thông tin thuỷ văn của sông ngòi ở một khu vực.

Về mặt hình học, các đối tượng mô tả các đặc trưng thuỷ văn của khu vực có thể được mô hình hoá như sau:

Sông ngòi: dạng đường

Ao hồ: dạng miền

Các điểm đo thuỷ văn: dạng điểm

Các đối tượng thuỷ văn có thể được tổ chức thành 1 lớp - lớp thủy văn công trình

Sông ngòi

Id Tên Diện tích

1 Ngàn Sâu

2 Ngàn Phố

Bảng 2 Tên sông

Điểm đo thuỷ văn

Id Id Sông

Tên Lưu lượng nước

Tốc độ nước Chiều rộng Cao độ (max)

Cao độ (min)

1 1 Hoà duyệt 2800 5 100 12 4

Bảng 3 Điểm đo thuỷ văn

5.2.3 Thông tin địa chất công trình

Các thông tin địa chất công trình của khu vực được mô tả bởi chiều dày, cường độ, độ ngấm nước, v.v. các lớp địa chất. Các thông tin này được xác định thông qua tập hợp kết quả các điểm khoan thăm dò. Thông tin ở các điểm trung gian có thể có được nhờ các phép nội suy từ thông tin ở các điểm khoan thăm dò. Hệ thống cũng có thể dựa vào thông tin ở các điểm này xây dựng được các bề mặt mô tả các lớp địa chất.

Như vậy thông tin địa chất công trình được xác định thông qua:

Thông tin địa lý, là các toạ độ mô tả vị trí các điểm khoan thăm dò.

Thông tin chuyên đề, là thông tin về các lớp địa chất tại các điểm khoan thăm

dò.

Các bảng 4, 5 trình bày các ví dụ mô tả việc mô hình hoá các thông tin địa chất công trình

Điểm khoan

Điểm khoan X Y H Các thông tin khác

P1 45 33 0

Bảng 4 Thông tin điểm khoan thăm dò

Lớp địa chất

Điểm khoan

Lớp Chiều dày Loại đất Cường độ Các thông tin khác

P1 L1 1,2 Cát pha 0,4

P1 L2 0,5 Sét pha 0,7

Bảng 5 Thông tin các lớp địa chất

Tương tự như các thông tin khác, thông tin địa chất công trình được tổ chức thành lớp – lớp địa chất công trình. Lớp này chứa các đối tượng:

dạng điểm mô tả các điểm khoan thăm dò,

dạng miền mô tả các bề mặt địa chất,

dạng đường mô tả các đứt gãy hoặc ranh giới địa chất,

Thực chất, các đối tượng sau (bề mặt và ranh giới địa chất) đều được dẫn xuất từ các đối tượng dạng điểm. Tuy nhiên, với các thông tin được số hoá từ các bản đồ có sẵn thì việc dùng các đối tượng dạng đường và miền sẽ hợp lý hơn vì các bản đồ có sẵn đều có các đối tượng dạng này.

5.3 CÁC CHỨC NĂNG CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG

5.3.1 Xây dựng bề mặt địa hình số

5.3.2 Xây dựng mặt cắt địa chất

…

CHƯƠNG 6 TÀI LIỆU THAM KHẢO

Cơ sở của các hệ thống thông tin địa lý (Grundlage der Geo-Informationssystem), Ralf Bill, 2 tập, nhà xuất bản Wichmann, 1999, bản tiếng Đức

Khám phá các hệ thống thông tin địa lý (Exploring geographic information systems), Nicolas Chrisman, nhà xuất bản John Wiley & Sons, 2002, bản tiếng Anh

Quản lý các hệ thống thông tin địa lý chiến lược (Strategisches GIS-Management), Franz-Josef Behr, nhà xuất bản Wichmann, 1998, bản tiếng Đức

Cơ sở hệ thống thông tin địa lý trong quy hoạch và quản lý đô thị, Phạm Trọng Mạnh, Phạm Vọng Thành, Nhà xuất bản xây dựng, 1999