1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN VĂN TUẤN ỨNG DỤNG GIS TRONG
QUẢN LÝ QUY HOẠCH XÂY DỰNG
LUẬN VĂN THẠC SỸ
Hà Nội – 2011


động viên và cổ vũ lớn lao và là động lực giúp tôi thành công trong công việc và trong
cuộc sống.
Hà Nội, ngày 11 tháng 5 năm 2011 Nguyễn Văn Tuấn

4
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN 1
LỜI CẢM ƠN 3
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 6
DANH MỤC HÌNH 7
MỞ ĐẦU 8
Chương 1. Tổng quan về GIS và GIS 3D 10
1.1 Khái niệm cơ bản về hệ thống thông tin địa lý 10
1.2 Các thành phần của GIS 11
1.3 Các chức năng của GIS 11
1.4 GIS 3D 14
1.4.1 Một số khái niệm cơ bản 15
1.4.1.1 Mô hình độ cao số 15
1.4.1.2 Mô hình địa hình số 15
1.4.1.3 Mô hình bề mặt số 15
1.4.2 Lưu trữ dữ liệu 3D 15
1.4.3 Khái niệm về cấp độ chi tiết 17
1.4.4 Biểu diễn đối tượng 3D 18
1.4.4.1 Điểm 18
1.4.4.2 Đường thẳng 18
1.4.4.3 Mặt phẳng 19
1.4.4.4 Đường cong 20

3.4.1 Xây dựng mô hình địa hình số 47
3.4.2 Xây dựng bản đồ hiện trạng địa hình 3D và các thuộc tính từ 2D 48
3.4.3 Xây dựng mô hình 3D hoá các bản vẽ AutoCAD 51
3.4.4 Quản lý kiểm soát không gian 51
3.4.5 Quy hoạch kiến trúc cảnh quan 57
3.4.6 Phân vùng không gian 58
3.5 Kết luận 59
Chương 4. Kết luận và hướng phát triển 60
TÀI LIỆU THAM KHẢO 62
6
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
GIS
Geographical Information System Hệ thống thông tin địa lý
2D
Two Dimension Hai chiều
3D
Three Dimension Ba chiều
CSDL
Cơ sở dữ liệu
DBMS
Database Management System Hệ quản trị Cơ sở dữ liệu
DEM
Digital Elevation Model Mô hình độ cao số
DTM
Digital Terrain Model Mô hình địa hình số
DSM
Digital Surface Model Mô hình bề mặt số
ESRI
Environmental Systems Research
Institute

Hình 25. Kiểm tra vi phạm chiều cao bằng phương pháp 3D (H>=50m) 55
Hình 26. Kiểm tra nhiều điều kiện bằng phương pháp thống kê và đánh dấu 56
Hình 27. Kiểm tra trường nhìn của người khi tham gia giao thông, với 1 góc nhìn
thông thường T=30,D=45,N=120 bằng phương pháp hình nón quan sát. 56
Hình 28. Mô hình khu đô thị 13-5 và tuyến đường thiết kế 57
Hình 29. Không gian trống, cây xanh 58
Hình 30. Các khu thấp tầng 58
8

MỞ ĐẦU
Hiện nay, hiện trạng đô thị luôn biến động trong khi nhu cầu của các cấp
lãnh đạo cũng như của người dân về một về một thành phố ngày càng văn minh
hiện đại và trật tự đã đặt ra cho các cơ quan quản lý những trách nhiệm nặng nề.
Đặc biệt là trong việc quản lý cơ sở hạ tầng như: quản lý đất đai, giao thông đô
thị, quy hoạch kiến trúc đang có những đòi hỏi cấp bách về việc nâng cao năng
lực quản lý. Nhiệm vụ này chỉ có thể được hoàn thành tốt nếu có các công cụ
quản lý tiên tiến và phù hợp, được xây dựng trên nền tảng CSDL không gian với
độ chính xác cao, có tính đồng bộ, đảm bảo mức độ chi tiết và tính cập nhật.
Hiện tại Sở Quy hoạch Kiến trúc thường chỉ sử dụng các bản đồ hiện trạng,
bản đồ quy hoạch dưới dạng bản đồ phẳng hai chiều phục vụ cho các công việc
chuyên môn của Sở. Các đối tượng được biểu diễn trên các bản đồ hai chiều
không trực quan và đòi hỏi người sử dụng phải có kiến thức chuyên môn về bản
đồ, ngoài ra khả năng biểu diễn về kiến trúc và mối quan hệ tương quan giữa các
đối tượng bị hạn chế rất nhiều.
GIS 3D là một công nghệ mới ở Việt Nam nhưng đã được các nước tiên
tiến ứng dụng rộng rãi từ vài chục năm gần đây. Công nghệ này tạo ra các sản
phẩm số với độ chính xác cao, khả năng linh động lớn và chia sẻ thông tin dễ
dàng. Chính các đặc điểm này làm cho công nghệ GIS 3D trở thành công nghệ
rất hiệu quả và được ứng dụng rộng rãi. Trong lĩnh vực quản lý và quy hoạch đô
thị, GIS 3D có rất nhiều ứng dụng mà điển hình là: xây dựng mô hình địa hình số

Chương 2 trình bày sự cần thiết và khả năng ứng dụng GIS trong quản lý
quy hoạch xây dựng ở Việt Nam: đưa ra các khái niệm, thực trạng và ứng dụng
của hệ thống thông tin trong lĩnh vực quản lý xây dựng. Các quy trình, nội dung
và các yếu tố ảnh hưởng đến quy hoạch xây dựng đô thị.
Chương 3 trình bày giải pháp công nghệ, phát triển thử nghiệm hệ thống
quản lý quy hoạch xây dựng ứng dụng công nghệ GIS 3D và nêu rõ những kết
quả đạt được.
Chương 4 trình bày kết luận và hướng phát triển của đề tài.
Sau đây là chi tiết nội dung của từng chương.
10

Chương 1. Tổng quan về GIS và GIS 3D
Hệ thống thông tin địa lý (Geographic Information System – GIS) là một
hệ thống thông tin trên máy tính được sử dụng để số hóa các đối tượng địa lý
thực cũng như các sự kiện liên quan (các thuộc tính phi không gian liên kết với
không gian địa lý) tạo thành dữ liệu địa lý, từ đó cung cấp các công cụ cho phép
phân tích, đánh giá và khai thác các dữ liệu địa lý đó.
"Mọi đối tượng có mặt trên trái đất đều có thể biểu diễn trong hệ thống thông tin
địa lý", đây là chìa khóa căn bản liên kết bất kỳ cơ sở dữ liệu nào với hệ thống
GIS. Bắt đầu xuất hiện vào cuối những năm 1950, nhưng phần mềm GIS đầu tiên
chỉ xuất hiện vào cuối những năm 1970 từ phòng thí nghiệm của Viện nghiên
cứu môi trường Mỹ (ESRI). Lịch sử phát triển của GIS đã thay đổi cách mà các
nhà quy hoạch, kỹ sư, nhà quản lý… làm việc với cơ sở dữ liệu và phân tích dữ
liệu.
1.1 Khái niệm cơ bản về hệ thống thông tin địa lý
Có nhiều quan niệm khác nhau khi định nghĩa hệ thống thông tin địa lý:
"Hệ thông tin địa lý là một hệ thống thông tin bao gồm một số hệ con
(subsystem) có khả năng biến đổi các dữ liệu địa lý thành những thông tin có
ích" – theo định nghĩa của Calkin và Tomlinson, 1977.
"Hệ thông tin địa lý là một hệ thống quản trị cơ sở dữ liệu bằng máy tính để

12

Thu thập dữ liệu
Dữ liệu mô tả các đối tượng địa lý được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu địa lý.
Cơ sở dữ liệu địa lý là một thành phần có chi phí xây dựng cao và tồn trong một
thời gian dài cùng với hệ thống, vì vậy việc thu thập dữ liệu là một vấn đề hết sức
quan trọng. Làm thế nào để lấy dữ liệu chỉ tồn tại trên dạng giấy vào cơ sở dữ
liệu? Dữ liệu này ở dạng số nhưng không thể sử dụng được, vậy nó ở định dạng
nào? Một hệ thống thông tin địa lý phải cung cấp các phương pháp để nhập dữ
liệu địa lý (tọa độ) và dữ liệu dạng bảng (thuộc tính). Hệ thống càng có nhiều
phương pháp nhập dữ liệu thì càng mềm dẻo và linh động.
Lưu trữ dữ liệu
Có hai mô hình cơ bản được sử dụng để lưu trữ dữ liệu địa lý: vector và
raster. Một hệ thống thông tin địa lý cần phải có khả năng lưu trữ cả hai định
dạng dữ liệu này.
Trong mô hình dữ liệu vector, đối tượng địa lý được biểu diễn tương tự
như cách chúng biểu diễn trên bản đồ (bằng các đối tượng điểm, đường và vùng).
Một hệ thống tọa độ x,y được sử dụng để xác định vị trí của các đối tượng này
trong thế giới thực.
Mô hình dữ liệu raster biểu diễn các đối tượng bằng cách sử dụng một
lưới bao gồm nhiều ô. Các giá trị của các ô sẽ mô tả vị trí của các đối tượng. Mức
độ chi tiết của đối tượng phụ thuộc vào kích thước của các ô trong lưới. Định
dạng dữ liệu raster rất phù hợp cho các bài toán phân tích không gian cũng như
việc lưu các dữ liệu dạng ảnh. Dữ liệu dạng raster không thích hợp cho các ứng
dụng như quản lý thửa đất vì ranh giới của các đối tượng cần phải được phân biệt
rõ ràng.
Truy vấn dữ liệu
Một hệ thống GIS phải có các công cụ để tìm ra các đối tượng cụ thể dựa
trên vị trí địa lý hoặc thuộc tính của nó. Các truy vấn, thường được tạo ra bởi các
câu lệnh hoặc biểu thức logic, sẽ được sử dụng để chọn ra các đối tượng trên bản


14

Xuất dữ liệu
Hiển thị kết quả là một yêu cầu bắt buộc của hệ thống GIS. Việc hiển thị
được thực hiện bằng nhiều cách khác nhau. Càng nhiều dạng đầu ra mà GIS có
thể đưa ra thì khả năng tiếp cận thông tin và đối tượng chính xác càng cao.
1.4 GIS 3D
Trong những năm gần đây, với sự phát triển vượt bậc của các công nghệ
mới, các dữ liệu không gian có thể được hiển thị lập thể rất trực quan đáp ứng
nhu cầu ngày càng đa dạng của người sử dụng. Ngành bản đồ từ khi thành lập và
phát triển đến nay chỉ hạn chế ở việc xây dựng các cách hiển thị trực quan các dữ
liệu không gian trong môi trường hai chiều. Một câu hỏi quan trọng được đặt ra
là liệu ngành bản đồ có thể khai thác lợi thế của các công nghệ mới này không và
khai thác như thế nào?
Một mô hình địa hình 3D tương tác sẽ có rất nhiều ưu điểm. Nó có thể
cung cấp cho người dùng khả năng chủ động chọn vị trí quan sát trong bản đồ,
cho phép nhận biết và tìm hiểu các dữ liệu không gian cũng như các thông tin
thuộc tính liên quan đến các đối tượng địa hình chính xác hơn. Chắc chắn việc áp
dụng các công nghệ mới phục vụ cho ngành bản đồ sẽ hoàn thiện chất lượng của
các sản phẩm bản đồ và mở ra các lĩnh vực ứng dụng mới
Mặt khác, việc ứng dụng rộng rãi công nghệ mới trong thành lập bản đồ
đã được thực hiện ở nhiều nước trên thế giới. Ngành bản đồ các nước đang
hướng đến hai loại bản đồ tiên tiến là bản đồ 3D và bản đồ động. Mô hình địa
hình 3D với các nhóm nội dung, độ chi tiết khác nhau phục vụ cho các mục đích
du lịch, quy hoạch và dự báo trong tương lai cũng đã trở thành thương phẩm
thường gặp tại nhiều nước phát triển. Mô hình dữ liệu, phương pháp thành lập,
khuôn dạng số liệu cũng rất đa dạng phụ thuộc vào các công nghệ sẵn có trong
từng trường hợp.
Ở Việt Nam, các ngành khoa học tuỳ theo yêu cầu riêng biệt và điều kiện
16

Đường đồng mức mô tả địa bề mặt
Đường đồng mức mô tả địa bề mặt là nguồn dữ liệu sẵn có và phổ biến
nhất cho việc lập DTM. Bởi đây là cách duy nhất để mô tả địa bề mặt theo cách
làm truyền thống (hiện nay vẫn còn được sử dụng rộng rãi). Nguồn dữ liệu này
được lưu giữ ở dạng bản đồ giấy nên để có thể dùng để tạo DTM nó cần phải
được số hoá hiệu chỉnh và biến đổi thành dạng dữ liệu 3D.
Dữ liệu ảnh (bao gồm ảnh máy bay và ảnh vệ tinh)
Dữ liệu ảnh có được từ ảnh chụp máy bay hay ảnh chụp vệ tinh và được
sử dụng để tạo ra dữ liệu địa hình chính xác có độ phân giải cao. Ngoài ra, nguồn
dữ liệu cho DTM kiểu này còn có thể có được từ việc đo đạc bằng radar, laser.
Dữ liệu đo đạc (trắc đạc)
Dữ liệu có được từ việc đo đạc là loại dữ liệu chính xác nhất có thể có
được, bởi các điểm đo được thiết kế sao cho có để mô tả đúng hình dáng của địa
hình của bề mặt và trong thực tế nó bao gồm rất nhiều điểm đo. Chất lượng của
loại dữ liệu này rất cao, tuy nhiên đòi hỏi chi phí lớn về thời gian cho công tác đo
đạc ngoài thực địa. Do vậy phương pháp này chỉ thực sự hiệu quả đối với những
dự án, những nghiên cứu trong phạm vi có diện tích nhỏ.
Khi đã có dữ liệu về địa hình bề mặt cần phải chọn cách thích hợp để mô
hình hoá địa bề mặt. Có hai cách tiếp cận để mô hình hoá địa bề mặt từ dữ liệu:
Lập DTM bằng phương pháp toán học: Trong trường hợp này DTM được
tạo ra bởi một hay nhiều hàm toán học tương thích với tập dữ liệu đã có của địa
bề mặt. Cách làm này là không phù hợp với các đối tượng địa môi trường, bởi
như đã trình bày, các đối tượng địa môi trường là các đối tượng của tự nhiên nên
nó có hình dạng bất kỳ.
Lập DTM trực tiếp từ dữ liệu đã có của địa bề mặt: Cách này là phù hợp
cho việc mô hình hoá các đối tượng địa môi trường vì nó tạo ra DTM mô tả đối

thiết kế phải chọn được một điểm dừng hợp lý giữa hai xu hướng này.
LoD áp dụng ở bước xây dựng mô hình DEM, mô hình hình học các đối
tượng 3D trên DEM và ở bước hiển thị trực quan phải đồng đều.

18
Hình 2. Cấp độ chi tiết LoD đối với các đối tượng nhà, khối nhà
1.4.4 Biểu diễn đối tượng 3D
1.4.4.1 Điểm
Điểm là thành phần cơ sở được định nghĩa trong một hệ tọa độ. Đối với hệ
tọa độ hai chiều mỗi điểm được xác định bởi cặp tọa độ (x, y). Khi biểu diễn các
điểm độ cao địa hình, chúng ta thường biểu diễn điểm trong hệ tọa độ 3 chiều xác
định bởi các giá trị (x, y, z).
1.4.4.2 Đường thẳng
Một đường thẳng có thể xác định nếu biết hai điểm thuộc nó. Phương trình
đường thẳng đi qua hai điểm (x1, y1) và (x2, y2) có dạng sau :
12
12
1
1
yy
xx
yy
xx










21
21
tyt)y(1y
txt)x(1x

Nếu t[0,1], ta có các điểm (x,y) thuộc về đoạn thẳng giới hạn bởi hai
điểm (x1, y1) và (x2, y2), nếu t[-, +], ta sẽ có toàn bộ đường thẳng
Trong biểu diễn bề mặt địa hình, đoạn thẳng nối hai điểm độ cao trên bề
mặt địa hình được dùng để miêu tả sự biến đổi tuyến tính của một phần bề mặt
địa hình nằm giữa hai điểm đó.
1.4.4.3 Mặt phẳng
Khi biểu diễn bề mặt địa hình dưới dạng lưới tam giác không đều TIN, thì
mỗi tam giác sẽ đặc tả phần địa hình nằm bên trong tam giác đó. Mỗi tam giác là
một mặt phẳng, để biểu diễn các tam giác trên máy tính, chúng ta sử dụng
phương trình toán học của mặt phẳng.
Phương trình tổng quát biểu diễn mặt phẳng có dạng:
Ax + By + Cz + D = 0
Trong đó (x, y, z) là một điểm bất kì của mặt phẳng và A, B, C, D là các
hằng số diễn tả thông tin không gian của mặt phẳng.
Để xác định phương trình mặt phẳng của một tam giác trong không gian,
ta sử dụng tọa độ của ba đỉnh (x1,y1,z1), (x2,,y2,z2), (x3 ,y3,z3) của tam giác
này. Từ (2.5) ta có:
Axk + Byk + Czk + D = 0 ; ( k = 1,2,3)
Dùng quy tắc Cramer, ta có thể xác định A, B, C, D theo công thức:
1 1

 

20

Khai triển các định thức trên ta được công thức tường minh của các hệ số:











)zyz(yx)zyz(yx)zyz(yxD
)y(yx)y(yx)y(yxC
)x(xz)x(xz)x(xzB
)z(zy)z(zy)z(zyA
122133113223321
213132321
213132321
213132321

Đôi khi, sẽ rất hữu ích nếu ta khảo sát các mặt phẳng thông qua phương
trình tham số. Phương trình tham số của một mặt là một hệ phương trình có hai
tham số u, v. Một điểm bất kì trên mặt sẽ có tọa độ được biểu diễn dưới dạng
vector tham số : p(u, v) = (x(u, v), y(u, v), z(u, v)). Với mỗi cặp giá trị (u, v) ta sẽ
có một bộ các tọa độ (x, y, z) biểu diễn một điểm trên bề mặt đã cho. Các mặt




L
0k
kk
(t)Rpp(t)
t  R
Tập các hàm trộn Ri(t) này có giá mang là khoảng t  [ti, ti+1] trên đó
hàm lấy giá trị là một phần của đoạn [0, 1], ngoài giá mang này hàm có giá trị là
0. Như vậy, đường cong chỉ phụ thuộc vào một số điểm kiểm soát mà thôi. Các
hàm trộn mà ta đề cập đến ở đây chính là tập các đa thức được định nghĩa trên
các đoạn kề nhau để các đoạn đường cong được tạo ra, nối lại với nhau, tạo nên
một đường cong liên tục. Ví dụ ta định nghĩa hàm g(t) bao gồm ba đa thức a(t),
b(t), c(t) như sau :
















k


t

t
k+1
nếu với t còn lại

mọi nơi trên giá mang của nó, nên đường cong tại các chỗ nối là trơn, g(t) là một
ví dụ của hàm trộn Spline.
Đường cong tổng quát được xây dựng từ tập các nút t0, t1, , với ti R và
ti  ti+1. Với mỗi điểm kiểm soát pk ta kết hợp với một hàm trộn tương ứng là
Rk(t). Rk(t) là đa thức riêng phần liên tục trên mỗi đoạn con [ti, ti+1] và liên tục
tại mỗi nút.
Các đoạn đường cong riêng phần này gặp nhau tại các điểm nút, do các
hàm trộn Spline liên tục tại các nút nên đường cong tạo ra cũng liên tục. Những
đường cong như vậy là đường cong Spline.
Vấn đề được đặt ra tiếp ở đây: Cho trước một vector nút, có tồn tại hay
không họ các hàm trộn sao cho chúng có thể phát sinh ra mọi đường cong Spline
được định nghĩa trên vector nút đó. Một họ các hàm như vậy được gọi là cơ sở
cho Spline, nghĩa là bất kì đường cong Spline nào cũng có thể được đưa về cùng
một công thức bằng cách chọn đa giác kiểm soát phù hợp.
Câu trả lời là có nhiều họ hàm như vậy, nhưng đặc biệt có một họ hàm
trộn có giá mang nhỏ nhất đó là B-Spline (B là từ viết tắt của basis).
Đường cong B-Spline
Một đường cong B-Spline cấp m xây dựng dựa trên vector nút T và (L+1)
điểm kiểm soát pk có dạng:






















với




0
1
)t(N
1,k

23

sách các cạnh xác định thông tin về sự kết nối, nó cho biết cặp các đỉnh tạo ra
cạnh. Chúng ta hãy quan sát một vật thể ba chiều được biểu diễn bằng mô hình
khung nối kết như sau:

Hình 4. Vật thể ba chiều được biểu diễn bằng mô hình khung nối kết
N
ếu i<m

Nếu m≤i≤L
Nếu i>L
24

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

Hệ thống GIS đã bắt đầu được nghiên cứu ứng dụng trong nhiều bộ
ngành: Quy hoạch xây dựng, sử dụng đất, tài nguyên môi trường, giao thông vận
tải và bắt đầu đã được đưa vào chương trình giảng dạy tại một số trường đại
học.
Trong lĩnh vực Quy hoạch xây dựng, công nghệ GIS đã được áp dụng tại
một số đơn vị trong ngành quy hoạch xây dựng và cơ quan quản lý địa phương
như: Viện Kiến trúc, Quy hoạch đô thị và nông thôn, UBND Thành phố Hà nội,
Sở địa chính, Viện Quy hoạch Hải Phòng, Sở Tài nguyên – Môi trường Cần
Thơ và nhiều cơ quan khác. Các phần mềm chính được sử dụng như: MapInfo,
ArcInfo, AutoCad, ArcView, Microstation, Access, SQL server,