Đồ án nghiên cứu phương pháp xây dựng bản đồ 3d trên bộ phần mềm skyline, áp dụng thành lập bản đồ 3d

LỜI NÓI ĐẦUTrong những năm gần đây, các công nghệ mới phát triển nhanhchóng, mạnh mẽ như công nghệ bản đồ số, công nghệ viễn thám và côngnghệ GIS..., các dữ liệu không gian có thể được h

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 4

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ GIS 6

1.1 Khái niệm về GIS 6

1.1.1 Khái niệm về GIS 6

1.1.2 Lịch Sử hình thành GIS 6

1.2 Các thành phần của hệ thống thông tin địa lý (GIS) 7

1.2.1 Thiết bị (hard ware) 8

1.2.2 Phần mềm (Software) 11

1.2.3 Chuyên viên (Expertise) 13

1.2.4 Số liệu, dữ liệu địa lý (Geographic data) 13

1.2.5 Chính sách và phương pháp (Policy and methodology) 14

1.3 Cơ sở dữ liệu trong GIS 15

1.3.1 Mô hình thông tin không gian 16

1.3.2 Mô hình thuộc tính không gian 21

1.3.3 Các định dạng dữ liệu GIS 24

1.4 Ứng dụng GIS-3D trong thành lập bản đồ 25

CHƯƠNG II: CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA MÔ HÌNH ĐỊA HÌNH 3D 27

2.1 Một số khái niệm cơ bản 27

2.2 Nội dung của mô hình địa hình 3D 27

2.2.1 Mô hình số độ cao DEM 28

2.2.2 Các đối tượng địa hình 3D 30

2.2.3 Cấp độ chi tiết (LoD) của mô hình địa hình 3D 31

2.2.4 Một số kỹ thuật hiển thị đồ họa 34

2.2.5 Các cách khảo sát mô hình địa hình 3D 35

2.3 Một số ứng dụng của mô hình địa hình 3D 36

2.3.1 Các ứng dụng dựa trên DEM 37

2.3.2 Ứng dụng trong thiết kế xây dựng hạ tầng cơ sở 38

2.3.3 Ứng dụng trong giám sát thiên tai (phòng ngừa, giảm nhẹ và đánh giá tác hại) 38

2.3.4 Ứng dụng trong viễn thông 39

2.3.5 Ứng dụng trong hàng không 39

2.3.6 Ứng dụng trong quân sự 40

2.3.7 Ứng dụng trong du lịch 40

2.3.8 Ứng dụng trong giáo dục 40

CHƯƠNG III: MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP THÀNH LẬP MÔ HÌNH ĐỊA HÌNH 3D 41

3.1 Một số phần mềm ứng dụng trong thành lập mô hình địa hình 3D 41

3.1.1 Microstation 41

3.1.2 AutoCad Nova Point Virtual Mapper 1.8 42

3.1.3 ArcScene 9.3 43

3.1.4 Imagine Virtual GIS 8.7 43

3.1.5 3D Studio Max 44

3.1.6 TerraVista 45

3.1.7 Phần mềm GEOCONCEPT 45

3.1.8 Phần mềm GEOMEDIA PROFESSIONAL 4.0 45

3.1.9 Đề xuất phương pháp chọn bộ phần mềm Skyline 46

3.2 Các phương pháp thành lập mô hình địa hình 3D 48

3.2.1 Thành lập mô hình địa hình 3D từ ảnh máy bay 48

3.2.2 Thành lập mô hình địa hình 3D từ mô hình địa hình có sẵn 49

3.2.3 Thành lập mô hình địa hình 3D từ các nguồn ảnh viễn thám khác 51

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 68

 Kết quả đạt được 68

 Kết luận, kiến nghị và hướng phát triển của đề tài 68

TÀI LIỆU THAM KHẢO 70

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây, các công nghệ mới phát triển nhanhchóng, mạnh mẽ như công nghệ bản đồ số, công nghệ viễn thám và côngnghệ GIS , các dữ liệu không gian có thể được hiển thị lập thể theo khônggian 3 chiều (3D), đáp ứng nhu cầu ngày càng đa dạng của người sử dụng.Ngành Bản đồ từ khi hình thành và phát triển, đến những năm 90 của thế

kỷ 20 chỉ mới xây dựng các phương pháp hiển thị các dữ liệu không giantrong môi trường hai chiều Một câu hỏi được đặt ra là: Ngành Bản đồ cóthể khai thác lợi thế của các công nghệ mới GIS, RS và bản đồ số không vàkhai thác như thế nào?

Ngày nay, công nghệ thông tin phát triển mạnh, thâm nhập vào hầuhết các ngành khoa học và thực tiễn, trước xu thế toàn cầu hóa, việc sảnxuất những dạng bản đồ mới cung cấp kịp thời những thông tin cần thiếttheo lãnh thổ địa lý, mô phỏng được cảnh quan chung như các dạng bản đồ3D, giúp cho các nhà hoạch định chính sách của mỗi Quốc gia có cơ sở đểxây dựng những chiến lược phát triển bền vững và những quyết sách độclập trong xu thế chung của toàn Thế giới

Việc ứng dụng rộng rãi các công nghệ mới, đặc biệt là công nghệthông tin trong thành lập bản đồ đã được thực hiện ở nhiều nước trên thếgiới Ngành Bản đồ các nước đang hướng đến hai loại bản đồ tiên tiến làbản đồ 3D và bản đồ động Bản đồ 3D tỷ lệ lớn với các nhóm nội dung, độchi tiết khác nhau phục vụ cho các mục đích du lịch, quy hoạch và dự báophát triển trong tương lai cũng đã trở thành thương phẩm thường gặp tạinhiều nước phát triển Mô hình dữ liệu, phương pháp thành lập, khuôndạng số liệu cũng rất đa dạng phụ thuộc vào các công nghệ sẵn có trongtừng trường hợp

Xuất phát từ tình hình thực tế đó, cần nghiên cứu một cách tổng quát

và toàn diện về việc thành lập bản đồ 3D tỷ lệ lớn trên cơ sở kết hợp côngnghệ Bản đồ số, và Hệ thông tin Địa lý, nhằm mục đích thiết lập quy trìnhcông nghệ liên hoàn từ khi dữ liệu được đưa vào đến khi xuất dữ liệu thànhlập bản đồ và chuẩn dữ liệu cho hệ thống Thông tin địa lý Tuy nhiên, đây

là một công việc lớn, đòi hỏi nhiều thời gian, công sức và cơ sở vật chất,nên trong khoảng thời gian ngắn không thể nghiên cứu, giải quyết được tất

cả các vấn đề liên quan đến các thể loại bản đồ 3D và bản đồ động

Đề tài: “Nghiên cứu phương pháp xây dựng bản đồ 3D trên bộ phần

mềm Skyline, áp dụng thành lập bản đồ 3D cho khu vực Đắc Nông – VN”

được chọn, thực hiện, nhằm xây dựng một mảnh bản đồ thử nghiệm trênđịa hình khu vực Đắc Nông - Việt Nam – mảnh 96-(246-h) Những kết quảnghiên cứu này cũng có thể ứng dựng cho các lĩnh vực khoa học, kinh tếhoặc cho mục đích giáo dục, du lịch và quân sự

Để giải quyết những vấn đề này, trong đồ án đề cập đến những nộidung lớn như sau:

CHƯƠNG I: Tổng quan về công nghệ GIS

CHƯƠNG II: Cơ sở khoa học của mô hình địa hình 3D

CHƯƠNG III Một số phương pháp thành lập mô hình địa hình 3D.CHƯƠNG IV: Sử dụng bộ phần mềm Skyline Thành lập mô hìnhđịa hình 3D khu vực Đắc Nông - Việt Nam – mảnh 96

Mặc dù đã rất cố gắng trong nghiên cứu nhưng kết quả thành lập bản

đồ 3D còn nhiều hạn chế Kính mong thầy giáo và bạn bè đóng góp ý kiến

để đề tài được hoàn thiện hơn Em xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ GIS 1.1 Khái niệm về GIS

1.1.1 Khái niệm về GIS

GIS, viết tắt của cụm từ tiếng Anh: Geographic Information

Systems, ngày nay được biết đến nhiều trên thế giới như là một hệ thống thông tin địa lý (HTTTĐL) có nhiệm vụ thu thập, lưu trữ, phân tích và

hiển thị các dữ liệu địa lý GIS đang ngày càng "lấn lướt" nhiều công nghệkhác trong việc hỗ trợ ra quyết định liên quan đến đất đai, môi trường, tàinguyên thiên nhiên, cơ sở hạ tầng, và kinh tế xã hội

GIS là công nghệ tích hợp các thao tác trên cơ sở dữ liệu không gianvới khả năng tra cứu và phân tích (thống kê và không gian), cùng khả nănghiển thị trực quan dưới dạng bản đồ

1.1.2 Lịch Sử hình thành GIS

Theo nhiều tài liệu cho thấy, lịch sử hình thành GIS không được cụthể lắm bởi lẽ những khái niệm tương tự GIS đã tồn tại ngay từ khi xuấthiện con người, từ khi con người có nhu cầu đi lại, sinh hoạt, buôn bán, Mặc dù vậy, sự đóng góp rất lớn và rất tích cực của Giáo sư RogerTomlinson vào năm 1963 đã khiến thế giới phải công nhận ông chính làcha đẻ của GIS

Như chúng ta cũng biết, năm 1940 ngành đồ họa máy tính(Computer Graphics) bắt đầu hình thành và phát triển Sự khó khăn trongviệc sử dụng các thiết bị kinh điển để khảo sát những bài toán phức tạp hơn

đã dẫn đến hình thành ngành Bản đồ máy tính (Computer Cartographic)vào những năm 1960 Cũng thời gian này, nhiều bản đồ đơn giản được xâydựng với các thiết bị vẽ và in

Tuy nhiên, chỉ khoảng 10 năm sau, năm 1971 khi chip bộ nhớ máytính được phổ biến, các ngành liên quan đến đồ họa trên máy tính thật sựchuyển biến và phát triển mạnh Nói đến GIS, chúng ta cũng có thể nghĩđến việc lưu trữ và truy vấn dữ liệu, đặc biệt là dữ liệu không gian đồ sộ.Những lý thuyết và thực tế về cơ sở dữ liệu và hệ thống thông tin ra đờivào cuối những năm 60, đầu những năm 70 là một đóng góp khác cho sự rađời của GIS Tất cả những ý tưởng trên dường như được hội tụ vào cùngmột thời điểm Roger Tomlinson là một trong những người nhạy bén đónnhận những tinh hoa đó và chuyển thành một GIS.

GIS ngày nay không chỉ dừng lại ở mức công nghệ mà nó đã tiến lênnhiều nấc đến khoa học (Geographic Information Science - GISci) và dịch

vụ (Geographic Information Services)

1.2 Các thành phần của hệ thống thông tin địa lý (GIS)

Công nghệ GIS bao gồm 5 hợp phần cơ bản là:

Hình 1.1 Các hợp phần thiết yếu cho công nghệ GIS

- Thiết bị (hardware)

- Phần mềm (software)

- Số liệu (Geographic data)

- Chuyên viên (Expertise)

- Chính sách và phương pháp quản lý (Policy and methodology)

Một cách chi tiết có thể giải thích bao gồm các hợp phần như sau:

1.2.1 Thiết bị (hard ware)

Thiết bị bao gồm máy vi tính (computer), máy vẽ (plotters), máy

in (printer), bàn số hoá (digitizer), thiết bị quét ảnh (scanners), cácphương tiện lưu trữ số liệu (Floppy diskettes, C.D ROM v.v )

Bộ xử lý trung tâm CPU

Bộ xử lý trung tâm hay còn gọi là CPU, là phần cứng quan trọngnhất của máy vi tính CPU không những thực hành tính toán trên dữ liệu,

mà còn điều khiển, sắp đặt phần cứng khác mà nó thì cần thiết cho việcquản lý thông tin theo sau thông qua hệ thống Mặc dù bộ vi xử lý hiện

Hình 1.2 Các thành phần thiết bị cơ bản của GIS

đại rất nhỏ chỉ khoảng 5mm2- nó có khả năng thực hiện hàng ngàn, hoặcngay cả hàng triệu thông tin trong một giây.

Bộ n hớ trong (RAM)

Tất cả máy vi tính có một bộ nhớ trong mà chức năng như là

"không gian làm việc" cho chương trình và dữ liệu Bộ nhớ truy xuấtngẫu nhiên (RAM) này có khả năng giữ 1 giới hạn số lượng dữ liệu ởmột số hạng thời gian (ví dụ, hệ điều hành MS - DOS mẫu có 640Kb ởRAM) Điều này có nghĩa nó sẽ ít có khả năng thực hiện điều hành phứctạp trên bộ dữ liệu lớn trong hệ điều hành

Bộ s ắ p x ếp v à lưu t r ữ ngoài (dis k ette, harddisk, CD-ROM)

Băng có từ tính được giữ không những trong cuộn băng lớn (giốngtrong cuộn băng máy hát đĩa) mà còn trong cuộn băng nhỏ (giống nhưcuốn băng được dùng trong máy hát nhạc) Thuận lợi của dây băng có từtính là nó có thể lưu trữ một số lượng lớn dữ liệu Sự gia tăng khả năng lưutrữ thực hiện bằng các đĩa có từ tính Các đĩa cứng với khả năng lưu trữ rấtlớn (Khoảng 600-700Mb) Đĩa cứng thông thường được sử dụng cho lưutrữ dữ liệu

việc chuyển các tín hiệu đặc biệt cho việc điều khiển chương trình, ví dụ

để chỉ ra điểm cuối của đường thẳng Các bàn số hoá (digitizer) hiệnnay có kích thước thay đổi từ bàn nhỏ là 27cm x 27cm đến bànlớn từ 1m x 1.5m

thước khác nhau tuỳ theo yêu cầu của người sử dụng, thông thường máy

in có khổ từ A3 đến A4 Máy in có thể là máy màu hoặc trắng đen, hoặc

là máy in phun mực, Laser, hoặc máy in kim

 Máy vẽ (plotter)

Đối với những yêu cầu cần thiết phải in các bản đồ có kích thướclớn, thường máy in không đáp ứng được mà ta phải dùng đến máyPlotter (máy vẽ) Máy vẽ thường có kích thước của khổ A1 hoặc A0

1.2.2 Phần mềm (Software)

Là tập hợp các câu lệnh, chỉ thị nhằm điều khiển phần cứng củamáy tính thực hiện một nhiệm vụ xác định, phần mềm hệ thống thông tinđịa lý có thể là một hoặc tổ hợp các phần mềm máy tính Phần mềmđược sử dụng trong kỹ thuật GIS phải bao gồm các tính năng cơ bản sau:

- Nh ậ p và k i ểm tra d ữ liệu (Importing and checking data): Bao gồm

tất cả các khía cạnh về biến đổi dữ liệu đã ở dạng bản đồ, trong lĩnh vựcquan sát vào một dạng số tương thích Đây là giai đoạn rất quan trọng

Hình 1.5 Máy in (printer)

Hình 1.6 Máy vẽ (plotter)

cho việc xây dựng cơ sở dữ liệu địa lý.

- Lưu t r ữ và q uả n lý c ơ sở d ữ liệu (Storing and management

database): Lưu trữ và quản lý cơ sở dữ liệu đề cập đến phương pháp kếtnối thông tin vị trí (topology) và thông tin thuộc tính (attributes) củacác đối tượng địa lý (điểm, đường, vùng) đại diện cho các đối tượngtrên bề mặt đất) Hai thông tin này được tổ chức và liên hệ qua các thaotác trên máy tính và sao cho chúng có thể lĩnh hội được bởi người sử dụng

hệ thống

- X u ấ t d ữ l iệu (Data exporting): Dữ liệu đưa ra là các báo cáo kết

quả quá trình phân tích tới người sử dụng, có thể bao gồm các dạng: Bản

đồ (MAP), bảng biểu (TABLE), biểu đồ, lưu đồ (FIGURE) được thểhiện trên máy tính, máy in, máy vẽ

- Biến đổi d ữ liệu (Data transformation): Biến đổi dữ liệu

gồm hai lớp điều hành nhằm mục đích khắc phục lỗi từ dữ liệu và cậpnhật chúng Biến đổi dữ liệu có thể được thực hiện trên dữ liệu khônggian và thông tin thuộc tính một cách tách biệt hoặc tổng hợp cả hai

- Tương tác với n g ười dùng (Query input): Giao tiếp với người

dùng là yếu tố quan trọng nhất của bất kỳ hệ thống thông tin nào Cácgiao diện người dùng ở một hệ thống tin được thiết kế phụ thuộc vào mụcđích của ứng dụng đó Các phần mềm tiêu chuẩn và sử dụng phổ biếnhiện nay trong khu vực Châu Á là ARC/INFO, MAPINFO, ILWIS,WINGIS, SPANS, IDRISIW, Hiện nay, có rất nhiều phần mềm máytính chuyên biệt cho GIS, bao gồm các phần mềm như sau:

 Phần mềm dùng cho lưu trữ, xử lý số liệu thông tin địa lý:ACR/INFO, SPAN, ERDAS - Imagine, ILWIS, MGE/MICROSTATION, IDRISIW, IDRISI

 Phần mềm dùng cho lưu trữ, xử lý và quản lý cácthông tin địa lý: ER- MAPPER, ATLASGIS, ARCVIEW,MAPINFO,

Tuỳ theo yêu cầu và khả năng ứng dụng trong công việc cũng nhưkhả năng kinh phí của đơn vị, việc lựa chọn một phần mềm máy tính sẽkhác nhau

1.2.3 Chuyên viên (Expertise)

Đây là một trong những hợp phần quan trọng của công nghệ GIS,đòi hỏi những chuyên viên hướng dẫn sử dụng hệ thống để thực hiện cácchức năng phân tích và xử lý các số liệu Đòi hỏi phải thông thạo về việclựa chọn các công cụ GIS để sử dụng, có kiến thức về các số liệu đangđược sử dụng và thông hiểu các tiến trình đang và sẽ thực hiện

1.2.4 Số liệu, dữ liệu địa lý (Geographic data)

Số liệu được sử dụng trong GIS không chỉ là số liệu địa lý(geo-referenced data) riêng lẽ mà còn phải được thiết kế trong một cơ

sở dữ liệu (database) Những thông tin địa lý có nghĩa là sẽ bao gồm các

dữ kiện về vị trí địa lý, thuộc tính (attributes) của thông tin, mối liên

hệ không gian (spatial relationships) của các thông tin, và thời gian Có

2 dạng số liệu được sử dụng trong kỹ thuật GIS là:

- Cơ sở d ữ liệu không gian : Là những mô tả hình ảnh bản đồ hoặc

ảnh vệ tinh được số hoá theo một khuôn dạng nhất định mà máy tínhhiểu được Hệ thống thông tin địa lý dùng cơ sở dữ liệu này để xuất racác bản đồ trên màn hình hoặc ra các thiết bị ngoại vi khác như máy in,máy vẽ

 Số liệu Vector: Được trình bày dưới dạng điểm, đường và diện

tích, mỗi dạng có liên quan đến 1 số liệu thuộc tính được lưu trữ

trong cơ sở dữ liệu.

 Số liệu Raster: Được trình bày dưới dạng lưới ô vuông hay ô

chữ nhật đều nhau, giá trị được ấn định cho mỗi ô sẽ chỉ địnhgiá trị của thuộc tính Số liệu của ảnh Vệ tinh và số liệu bản đồđược quét (scanned map) là các loại số liệu Raster

- Dữ liệu phi không gian (dữ liệu thuộc tình - Attribute): Được trình

bày dưới dạng các ký tự, số, hoặc ký hiệu để mô tả thuộc tính của cácthông tin thuộc về địa lý

Trong các dạng số liệu trên, số liệu Vector là dạng thường sử dụngnhất Tuy nhiên, số liệu Raster rất hữu ích để mô tả các dãy số liệu có tínhliên tục như: Nhiệt độ, cao độ Và thực hiện các phân tích không gian(Spatial analyses) của số liệu Còn số liệu thuộc tính được dùng để mô tả

cơ sở dữ liệu

1.2.5 Chính sách và phương pháp (Policy and methodology)

Đây là hợp phần rất quan trọng để đảm bảo khả năng hoạt động của

hệ thống, là yếu tố quyết định sự thành công của việc phát triển công nghệGIS Hệ thống GIS cần được điều hành bởi một bộ phận quản lý, bộ phậnnày phải được bổ nhiệm để tổ chức hoạt động hệ thống GIS một cách cóhiệu quả để phục vụ người sử dụng thông tin Để hoạt động thành công,

hệ thống GIS phải được đặt trong 1 khung tổ chức phù hợp và có nhữnghướng dẫn cần thiết để quản lý, thu thập, lưu trữ và phân tích số liệu,đồng thời có khả năng phát triển được hệ thống GIS theo nhu cầu Hệthống GIS cần được điều hành bởi 1 bộ phận quản lý, bộ phận này phảiđược bổ nhiệm để tổ chức hoạt động hệ thống GIS một cách có hiệu quả

để phục vụ người sử dụng thông tin Trong quá trình hoạt động, mụcđích chỉ có thể đạt được và tính hiệu quả của kỹ thuật GIS chỉ được minhchứng khi công cụ này có thể hỗ trợ những người sử dụng thông tin để

giúp họ thực hiện được những mục tiêu công việc Ngoài ra, việc phốihợp giữa các cơ quan chức năng có liên quan cũng phải được đặt ra, nhằmgia tăng hiệu quả sử dụng của GIS cũng như các nguồn số liệu hiện có.

Như vậy, trong 5 hợp phần của GIS, hợp phần chính sách vàphương pháp đóng vai trò rất quan trọng để đảm bảo khả năng hoạt độngcủa hệ thống, đây là yếu tố quyết định sự thành công của việc phát triểncông nghệ GIS

Trong phối hợp và vận hành các hợp phần của hệ thống GIS nhằmđưa vào hoạt động có hiệu quả kỹ thuật GIS, 2 yếu tố huấn luyện vàchính sách- phương pháp là cơ sở của thành công Việc huấn luyện cácphương pháp sử dụng hệ thống GIS sẽ cho phép kết hợp các hợp phần:Thiết bị, Phần mềm, Chuyên viên và số liệu với nhau để đưa vào vậnhành Tuy nhiên, yếu tố chính sách và phương pháp sẽ có tác động đếntoàn bộ các hợp phần nói trên, đồng thời quyết định đến sự thành côngcủa hoạt động GIS

1.3 Cơ sở dữ liệu trong GIS

Một cơ sở dữ liệu của hệ thống thông tin địa lý có thể chia ra làm 2loại số liệu cơ bản: Cơ sở dữ liệu không gian và cơ sở dữ liệu phi khônggian Mỗi loại có những đặc điểm riêng và chúng khác nhau về yêu cầulưu giữ số liệu, hiệu quả, xử lý và hiển thị

Cơ sở dữ liệu không gian là những mô tả số của hình ảnh bản đồ,chúng bao gồm tọa độ, quy luật và các ký hiệu dùng để xác định một hìnhảnh cụ thể trên từng bản đồ Hệ thống thông tin địa lý dùng các số liệukhông gian để tạo ra một bản đồ hay hình ảnh bản đồ trên màn hình hoặctrên giấy thông qua thiết bị ngoại vi

Cơ sở dữ liệu phi không gian là những diễn tả đặc tính, số lượng,

mối quan hệ của các hình ảnh bản đồ với vị trí địa lý của chúng Các dữliệu phi không gian được gọi là dữ liệu thuộc tính, chúng liên quan đến vịtrí địa lý hoặc các đối tượng không gian và liên kết chặt chẽ với chúngtrong hệ thống thông tin địa lý thông qua một cơ chế thống nhất chung.

1.3.1 Mô hình thông tin không gian

Dữ liệu là trung tâm của hệ thống GIS, hệ thống GIS chứa càngnhiều thì chúng càng có ý nghĩa Dữ liệu của hệ GIS được lưu trữ trongCSDL và chúng được thu thập thông qua các mô hình thế giới thực Dữliệu trong hệ GIS còn được gọi là thông tin không gian Đặc trưng thôngtin không gian là có khả năng mô tả “vật thể ở đâu” nhờ vị trí tham chiếu,đơn vị đo và quan hệ không gian Chúng còn khả năng mô tả “hình dạnghiện tượng” thông qua mô tả chất lượng, số lượng của hình dạng vàcấu trúc Cuối cùng, đặc trưng thông tin không gian mô tả “quan hệ vàtương tác” giữa các hiện tượng tự nhiên Mô hình không gian đặc biệtquan trọng vì cách thức thông tin sẽ ảnh hưởng đến khả năng thực hiệnphân tích dữ liệu và khả năng hiển thị đồ hoạ của hệ thống

1.3.1.1 Hệ thống vector

Kiểu đối tượng điểm (Points)

Các đối tượng kiểu điểm có các đặc điểm:

 Là tọa độ đơn (x,y)

 Không cần thể hiện chiều dài và diện tích

Trên bản đồ tỷ lệ lớn, đối tượng thể hiện dưới dạng vùng Tuynhiên trên bản đồ tỷ lệ nhỏ, đối tượng này có thể thể hiện dưới dạng mộtđiểm Vì vậy, các đối tượng điểm và vùng có thể được dùng phản ánh lẫnnhau

Kiểu đối tượng đường (Arcs)

Đường được xác định như một tập hợp dãy của các điểm Mô tảcác đối tượng địa lý dạng tuyến, có các đặc điểm sau:

 Là một dãy các cặp tọa độ

 Một arc bắt đầu và kết thúc bởi node

 Các arc nối với nhau và cắt nhau tại node

 Hình dạng của arc được định nghĩa bởi các điểm vertices

 Độ dài chính xác bằng các cặp tọa độ

Hình 1.7 Số liệu vector được biểu thị dưới dạng điểm

Kiểu đối tượng vùng (Polygons)

Vùng được xác định bởi ranh giới các đường thẳng Các đốitượng địa lý có diện tích và đóng kín bởi một đường được gọi là đốitượng vùng polygons, có các đặc điểm sau:

 Polygons được mô tả bằng tập các đường (arcs) và điểm nhãn(label points)

 Một hoặc nhiều arc định nghĩa đường bao của vùng

 Một điểm nhãn label points nằm trong vùng để mô tả, xácđịnh cho mỗi một vùng

Hình 1.8 Số liệu vector được biểu thị dưới dạng Arc

Hình 1.9 Số liệu vector được biểu thị dưới dạng vùng (Polygon)

1.3.1.2 Hệ thống raster

Mô hình dữ liệu dạng raster phản ánh toàn bộ vùng nghiên cứudưới dạng một lưới các ô vuông hay điểm ảnh (pixcel) Mô hình raster cócác đặc điểm:

 Các điểm được xếp liên tiếp từ trái qua phải và từ trên xuốngdưới

 Mỗi một điểm ảnh (pixcel) chứa một giá trị

 Một tập các ma trận điểm và các giá trị tương ứng tạothành một lớp (layer)

 Trong cơ sở dữ liệu có thể có nhiều lớp

Mô hình dữ liệu raster là mô hình dữ liệu GIS được dùng tươngđối phổ biến trong các bài toán về môi trường, quản lý tài nguyên thiênnhiên

Mô hình dữ liệu raster chủ yếu dùng để phản ánh các đối tượngdạng vùng và ứng dụng cho các bài toán tiến hành trên các loại đốitượng dạng vùng: Phân loại, chồng xếp…

Các nguồn dữ liệu xây dựng nên dữ liệu raster có thể bao gồm:

- Quét ảnh

- Ảnh máy bay, ảnh viễn thám

- Chuyển từ dữ liệu vector sang

Hình 1.10 Một số khái niệm trong cấu trúc cơ sở dữ liệu bản đồ

- Lưu trữ dữ liệu dạng raster.

- Nén theo hàng (Run lengh coding)

- Nén theo chia nhỏ thành từng phần (Quadtree)

- Nén theo ngữ cảnh (Fractal)

Trong một hệ thống dữ liệu cơ bản raster được lưu trữ trong các ôvuông, được sắp xếp trong một mảng hoặc các dãy hàng và cột Nếu cóthể, các hàng cột nên được căn cứ vào hệ thống lưới bản đồ thích hợp

Việc sử dụng cấu trúc dữ liệu raster tất nhiên đưa đến một số chitiết bị mất Với lý do này, hệ thống raster-based không được sử dụngtrong các trường hợp đòi hỏi mức độ chi tiết và độ chính xác cao

1.3.1.3 Chuyển đổi dữ liệu dạng vector và raster

Việc chọn cấu trúc dữ liệu dưới dạng vector hoặc raster tuỳ thuộcvào yêu cầu của người sử dụng, đối với hệ thống vector, thì dữ liệu đượclưu trữ sẽ chiếm diện tích nhỏ hơn rất nhiều so với hệ thống raster, đồngthời các đường bình độ ( contours) sẽ chính xác hơn hệ thống raster.Ngoài ra cũng tuỳ vào phần mềm máy tính đang sử dụng mà nó cho phépnên lưu trữ dữ liệu dưới dạng vector hay raster Tuy nhiên, đối với việc sửdụng ảnh vệ tinh trong GIS thì nhất thiết phải sử dụng dưới dạng raster

Một số công cụ phân tích của GIS phụ thuộc chặt chẽ vào

mô hình dữ liệu raster, do vậy nó đòi hỏi quá trình biến đổi mô hình dữliệu vector sang dữ liệu raster, hay còn gọi là raster hoá Biến đổi từ raster

Hình 1.11 Sự biểu thị kết quả bản đồ dưới dạng Raster

sang mô hình vector, hay còn gọi là vector hoá, đặc biệt cần thiết khi tựđộng quét ảnh Raster hoá là tiến trình chia đường hay vùng thành các ôvuông (pixcel) Ngược lại, vector hoá là tập hợp các pixcel để tạo thànhđường hay vùng Nếu dữ liệu raster không có cấu trúc tốt, thí dụ: ảnh vệtinh, thì việc nhận dạng đối tượng sẽ rất phức tạp.

Nhiệm vụ biến đổi vector sang raster là tìm tập hợp các pixel trongkhông gian raster trùng khớp với vị trí của điểm, đường, đường cong hay

đa giác trong biểu diễn vector Tổng quát tiến trình biến đổi là tiến trìnhxấp xỉ vì với vùng không gian cho trước thì mô hình raster sẽ chỉ có khảnăng địa chỉ hoá các vị trí tọa độ nguyên Trong mô hình vector, độ chínhxác của điểm cuối vector được giới hạn bởi mật độ hệ thống tọa độ bản đồcòn vị trí khác của đoạn thẳng được xác định bởi hàm toán học

Hình 1.12 Sự chuyển đổi dữ liệu Raster sang Vector

Sự chuyển đổi dữ liệu Raster sang Vector

Hình 1.13 Sự chuyển đổi dữ liệu Vector sang Raster

1.3.2 Mô hình thuộc tính không gian

Cơ sở dữ liệu phi không gian hay còn gọi là thuộc tính là những mô

tả về đặc tính, đặc điểm và các hiện tượng xảy ra tại các vị trí địa lý xácđịnh Một trong các chức năng đặc biệt của công nghệ GIS là khả năngcủa nó trong việc liên kết và xử lý đồng thời giữa dữ liệu bản đồ và dữliệu thuộc tính Thông thường hệ thống thông tin địa lý có 4 loại số liệuthuộc tính:

- Đặc tính của đối tượng: Liên kết chặt chẽ với các thông tin khônggian có thể thực hiện truy vấn, hỏi đáp dữ liệu và phân tích

- Số liệu hiện tượng, tham khảo địa lý: miêu tả những thông tin,các hoạt động thuộc vị trí xác định

- Chỉ số địa lý: tên, địa chỉ, khối, phương hướng định vị, liên quanđến các đối tượng địa lý

- Quan hệ giữa các đối tượng trong không gian, có thể đơn giảnhoặc phức tạp (sự liên kết, khoảng tương thích, mối quan hệ đồ hình giữacác đối tượng) Để mô tả một cách đầy đủ các đối tượng địa lý, trong bản

đồ số chỉ dùng thêm các loại đối tượng khác: Điểm điều khiển, tọa độgiới hạn và các thông tin mang tính chất mô tả (annotation)

Annotation: Các thông tin mô tả có các đặc điểm:

 Có thể nằm tại một vị trí xác định trên bản đồ

 Có thể chạy dọc theo đường

 Có thể có các kích thước, màu sắc, các kiểu chữ khác nhau

 Nhiều mức của thông tin mô tả có thể được tạo ra vớiứng dụng khác nhau

 Có thể tạo thông tin cơ sở dữ liệu lưu trữ thuộc tính

 Có thể tạo độc lập với các đối tượng địa lý có trong bản đồ

 Không có liên kết với các đối tượng điểm, đường, vùng

và dữ liệu thuộc tính của chúngBản chất một số thông tin dữ liệu thuộc tính như sau:

- Số liệu tham khảo địa lý: Mô tả các sự kiện hoặc hiện tượng xảy

ra tại một vị trí xác định Không giống các thông tin thuộc tính khác,chúng không mô tả về bản thân các hình ảnh bản đồ Thay vào đó chúng

mô tả các danh mục hoặc các hoạt động như cho phép xây dựng, báo cáotai nạn, nghiên cứu y tế, liên quan đến các vị trí địa lý xác định Cácthông tin tham khảo địa lý đặc trưng được lưu trữ và quản lý trong các fileđộc lập và hệ thống không thể trực tiếp tổng hợp chúng với các hình ảnhbản đồ trong cơ sở dữ liệu của hệ thống Tuy nhiên, các bản ghi nàychứa các yếu tố xác định vị trí của sự kiện hay hiện tượng

- Chỉ số địa lý: được lưu trong hệ thống thông tin địa lý để chọn,liên kết và tra cứu số liệu trên cơ sở vị trí địa lý mà chúng đã được mô tảbằng các chỉ số địa lý xác định Một chỉ số có thể bao gồm nhiều bộ xácđịnh cho các thực thể địa lý sử dụng từ các cơ quan khác nhau như là lậpdanh sách các mã địa lý mà chúng xác định mối quan hệ không giangiữa các vị trí hoặc giữa các hình ảnh hay thực thể địa lý Ví dụ: chỉ sốđịa lý về đường phố và địa chỉ địa lý liên quan đến phố đó

- Mối quan hệ không gian: của các thực thể tại vị trí địa lý cụ thể rấtquan trọng cho các chức năng xử lý của hệ thống thông tin địa lý Các mốiquan hệ không gian có thể là mối quan hệ đơn giản hay lôgic, ví dụ, tiếptheo số nhà 101 phải là số nhà 103 nếu là số nhà bên lẻ hoặc nếu là bênchẵn thì cả hai đều phải là các số chẵn kề nhau Quan hệ Topology cũng

là một quan hệ không gian Các quan hệ không gian có thể được mã hoánhư các thông tin thuộc tính hoặc ứng dụng thông qua giá trị tọa độ củacác thực thể

- Mối quan hệ giữa dữ liệu không gian và phi không gian: thể hiệnphương pháp chung để liên kết hai loại dữ liệu đó thông qua bộ xác định,lưu trữ đồng thời trong các thành phần không gian và phi không gian Các

bộ xác định có thể đơn giản là một số duy nhất liên tục, ngẫu nhiên hoặccác chỉ báo địa lý hay số liệu xác định vị trí lưu trữ chung Bộ xác địnhcho một thực thể có thể chứa tọa độ phân bố của nó, số hiệu mảnh bản đồ,

mô tả khu vực hoặc con trỏ đến vị trí lưu trữ của số liệu liên quan Bộ xácđịnh được lưu trữ cùng với các bản ghi tọa độ hoặc mô tả số khác của cáchình ảnh không gian và cùng với các bản ghi số liệu thuộc tính liên quan

Sự liên kết giữa hai loại thông tin cơ bản trong cơ sở dữ liệu GISthể hiện theo sơ đồ sau:

Hình 1.14 Mối quan hệ giữa thông tin bản đồ và thông tin thuộc tính

đó của một tab MapInfo thể hiện các đối tượng địa lý dưới dạng các đốitượng hình học Mỗi một table lại có bốn file với phần mở rộng sau:

- * dat : File chứa thông tin ban đầu

- * map: File chứa thông tin mô tả các đối tượng bản đồ

- * id : File chứa thông tin liên kết các đối tượng với nhau

- * ind : File về chỉ số đối tượng

1.3.3.2 Dạng Vector

Trong mô hình dữ liệu vector, thì mỗi điểm được xác định bởi một cặptọa độ (X, Y) Các đoạn thẳng được xác định bởi một chuỗi các cặp tọa độ(X, Y) Các vùng cũng được xác định bởi một chuỗi các cặp tọa độ (X, Y)của các đoạn thẳng khép kín Các vùng có chu vi, các đoạn thẳng có chiềudài

1.3.3.3 Dạng Raster

Trong mô hình dữ liệu raster, bề mặt trái đất coi như một bề mặt liêntục, mỗi khu vực được coi như một bề mặt liên tục và là một cell, các giá trịcủa cell được sử dụng để mô tả các hiện tượng địa lý, và giá trị của các cellnày được tổ chức thành một ma trận Nếu giá trị của cell là các số thì nó cóthể mô tả các dữ liệu rời rạc như phân loại sử dụng đất hoặc các dữ liệu liêntục như các giá trị độ cao

1.3.3.4 Dạng Shapefile

Shapefile là một khuôn dạng lưu trữ dữ liệu vector, được dùng để lưutrữ vị trí, hình dạng và các giá trị thuộc tính của các đối tượng địa lý Mỗimột shapefile chứa bốn file có phần mở rộng như sau:

- *.shp : Lưu trữ đối tượng hình học

- *.shx : Lưu chỉ số của đối tượng hình học

- *.dbf : Lưu các thông tin thuộc tính của các đối tượng

- sbn (.sbx) : Lưu chỉ số không gian của các đối tượng

1.3.3.5 Dạng Coverage

Coverage kết hợp dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc tính cùng cácquan hệ topology trong đối tượng Dữ liệu không gian được lưu ở các filenhị phân Dữ liệu thuộc tính được lưu ở các INFO table Một coverage baogồm một tập các file, mỗi file trong đó lại lưu thông tin về các đối tượng

1.3.3.6 Dạng Geodatabase

Geodatabase là mô hình thông tin địa lý cốt lõi để tổ chức dữ liệu GISvào trong các lớp chủ đề và trình diễn dữ liệu không gian Là một tập cácứng dụng và các công cụ để thao tác và quản lý dữ liệu GIS

1.4 Ứng dụng GIS-3D trong thành lập bản đồ

Việc ứng dụng rộng rãi công nghệ thông tin trong thành lập bản đồ

đã được thực hiện ở nhiều nước trên thế giới Trong điều kiện thuận lợinày, các sản phẩm bản đồ cũng được đa dạng hoá rất nhiều Ngành bản đồcác nước đang hướng đến hai loại bản đồ tiên tiến là bản đồ 3D và bản đồđộng Mô hình địa hình 3D với các nhóm nội dung, độ chi tiết khác nhauphục vụ cho các mục đích khác nhau cũng đã trở thành thương phẩmthường gặp tại nhiều nước phát triển Mô hình dữ liệu, phương pháp thànhlập, khuôn dạng số liệu cũng rất đa dạng phụ thuộc vào của công nghệ sẵn

có trong từng trường hợp

Ở Việt Nam, từ những năm 90, máy tính đã bắt đầu được sử dụngrộng rãi cho việc thành lập dữ liệu đồ họa nói chung và các loại bản đồ nóiriêng Các sản phẩm mô hình địa hình và địa chính được thành lập ở các tỷ

lệ khác nhau trên diện rộng cho lãnh thổ Việt Nam tạo thành một nguồn dữliệu bản đồ lớn và đa dạng, các ngành khoa học tuỳ theo những yêu cầu

riêng và điều kiện vật chất kỹ thuật của mình cũng đã có một số sản phẩm

đồ họa có các yếu tố địa hình 3D trong đó như: sơ đồ tuyến, mặt cắt trongcác ngành giao thông, thuỷ lợi; DEM được tạo trong quá trình xử lý ảnhmáy bay; bản đồ tác chiến trong quân sự; mô hình cảnh quan trong giáodục hay du lịch Các số liệu này được thành lập cho một số khu vực nhưngcòn thiếu tính hệ thống và mang đặc trưng riêng của từng ngành

Một Mô hình địa hình 3D tương tác sẽ có rất nhiều ưu điểm Nó cóthể cung cấp cho người dùng khả năng chủ động chọn vị trí quan sát ảotrong bản đồ, cho phép nhận biết và tìm hiểu các dữ liệu không gian cũngnhư các thông tin thuộc tính liên quan đến các đối tượng địa hình chính xáchơn Chắc chắn việc áp dụng của công nghệ thông tin phục vụ cho ngànhbản đồ sẽ hoàn thiện chất lượng của các sản phẩm bản đồ và mở ra các lĩnhvực ứng dụng mới

CHƯƠNG II: CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA MÔ HÌNH

ĐỊA HÌNH 3D 2.1 Một số khái niệm cơ bản

Mô hình số bề mặt (DSM) là một mô hình số độ cao miêu tả bề mặt

mặt đất và bao gồm cả các đối tượng vật thể trên đó như nhà cửa, cây cối,đường…

Mô hình số độ cao (DEM) và mô hình số địa hình (DTM) là các mô

hình số miêu tả bề mặt mặt đất nhưng không bao gồm các đối tượng vật thểtrên đó

Mô hình bản đồ 3D (3D cartographic model - 3DCM) là mô hình mô

tả trừu tượng (có khái quát hoá) một hay nhiều khía cạnh của thế giới thực

Mô hình địa hình 3D (3D topo-cartographic model -3DTCM) là mô

hình bề mặt mặt đất bao gồm các đối tượng vật thể trên đó được khái quát

hoá và ký hiệu hoá ở một mức độ nhất định theo nguyên tắc bản đồ.

Mô hình địa hình 3D là bản đồ số trong đó bề mặt mặt đất và các đối

tượng vật thể trên đó được khái quát hoá, ký hiệu hoá ở một mức độ nhấtđịnh theo nguyên tắc bản đồ, được gán thuộc tính và hiển thị trong môitrường lập thể

2.2 Nội dung của mô hình địa hình 3D

Cấu trúc cơ bản của mô hình địa hình 3D được thể hiện ở hình 2.1bao gồm hai thành phần chính là mô hình số độ cao DEM và các đối tượngđịa hình trên đó

2.2.1 Mô hình số độ cao DEM

Đây là một nội dung rất quan trọng của mô hình địa hình 3D Tất cảcác yếu tố nội dung khác của bản đồ đều được thể hiện trên nền DEM Vàthường được thể hiện ở hai dạng TIN hoặc GRID

Cấu trúc DEM dạng tam giác không đều (TIN)

Hình 2.1 Các nội dung chính của mô hình địa

hình 3D

TIN là từ viết tắt của mạng tam giác không đều (TriangulatedIrregular Networks) Đây là mô hình dạng vecter, có cấu trúc topo mạng đagiác khá phức tạp, lấy điểm làm đơn vị và xét xem mỗi điểm sẽ được kếtnối với các điểm liền kề nào để tạo ra tam giác TIN là một tập hợp của cáctam giác liền kề, không chồng đè, không có tam giác đảo (tam giác nằmbên trong một tam giác khác), được tạo nên từ các điểm phân bố khôngđồng đều với tọa độ (X, Y) và giá trị Z Mô hình TIN với cấu trúc dữliệu dạng vecter dựa trên các điểm, đường và vùng có phân bố không đồngđều và thường được chia ra thành các tập hợp điểm (masspoints) và cácđường breakelines Mô hình TIN thường được xây dựng áp dụng thuật toánDelaunay để tối ưu hoá việc thể hiện bề mặt địa hình Ý tưởng chủ đạo củathuật toán này là tạo ra các tam giác mà xét một cách tổng thể càng có dạnggần với tam giác đều càng tốt Nói một cách chính xác hơn thì tam giácDelaunay là tam giác thoả mãn điều kiện đường tròn ngoại tiếp bất kỳ mộttam giác nào đều không chứa bên trong nó đỉnh của các tam giác khác

Mô hình TIN khá phức tạp khi xử lý nhưng nó cũng tránh được việclưu trữ thừa thông tin và có khả năng mô tả các biến đổi địa hình phức tạp

Cấu trúc DEM dạng lưới đều (GRID)

Ở dạng này, DEM còn được gọi là DEM dạng lưới ô vuông quychuẩn hay ma trận độ cao (altitude matrix) Các điểm độ cao trong DEMdạng này được bố trí theo khoảng cách đều, trên hướng tọa độ (x,y) để biểudiễn địa hình Trong mô hình số độ cao dạng này tọa độ mặt phẳng của mộtđiểm mặt đất bất kỳ có độ cao Z (Zij) được xác định theo số thứ tự (i, j) của

ô lưới trên hai hướng

DEM dạng lưới đều là một mô hình bề mặt có cấu trúc đơn giản, dễ

xử lý Độ chính xác của DEM được xác định bởi khoảng cách mắt lưới và

để tăng độ chính xác phải giảm khoảng cách giữa các mắt lưới Các đốitượng đặc trưng, chẳng hạn các đỉnh hay các đường phân thuỷ không thểđược miêu tả chính xác hơn độ rộng của mắt lưới Đối với các vùng bằngphẳng, không hiệu quả khi lưu trữ DEM ở dạng lưới đều, còn ở vùng độcao biến đổi phức tạp mô hình GRID khó có thể diễn tả được các chi tiếtnày nếu không có giảm đáng kể về kích cỡ ô lưới

Mỗi một dạng DEM (dạng lưới đều - GRID DEM) hay dạng tamgiác không đều (TIN DEM) đều có những ưu điểm và nhược điểm nhấtđịnh Có một số ứng dụng thì cần DEM ở dạng GRID, một số ứng dụngkhác lại cho kết quả tốt hơn nếu có DEM ở dạng TIN Nhiều thuật toánphân tích dòng chảy tính toán lưu vực sông hay phân tích thuỷ văn cácvùng ngập lụt được phát triển trên mô hình GRID DEM Còn nếu trong cácứng dụng cụ thể nào đó mà các thông tin vi địa hình (micro reliefinformation) được coi là quan trọng thì mô hình TIN có thể tỏ ra có ưu thếhơn Hai dạng này của DEM có thể được chuyển đổi qua lại lẫn nhau, cácphần mềm hiện có đều cung cấp công cụ để thực hiện quá trình chuyển đổinày

2.2.2 Các đối tượng địa hình 3D

Một cách sơ lược ta có thể phân bố các đối tượng này thành hainhóm, khác nhau về nguyên tắc thể hiện:

 Các đối tượng nằm ngay trên mặt DEM dạng đường như

sông, suối, đường giao thông, dạng điểm như các điểm khống chế có thểđược mô tả bằng các dữ liệu 2D hoặc 3D Đối với dữ liệu 3D chúng có thểđược thể hiện độc lập và chính xác vị trí của mình trong môi trường khônggian ba chiều, không phụ thuộc vào dữ liệu DEM làm nền cho chúng.Trường hợp nếu các đối tượng này chỉ có tọa độ (X, Y) chúng cũng có thểđược bổ sung tọa độ Z từ mô hình DEM bằng một phép chiếu vuông gócđơn giản Các đối tượng dạng vùng như các bãi cát, bãi cỏ, sân thườngchỉ có tọa độ (X, Y) Để thể hiện trong không gian ba chiều chúng sẽ đượcđẩy lên mặt DEM và được thể hiện bằng các ký hiệu tương ứng

 Các đối tượng nằm nổi trên mặt DEM có độ cao riêng gồm

nhóm các đối tượng dạng vùng như nhà và các công trình xây dựng, cácđối tượng dạng đường như hàng rào, tường vây, các loại đường dây truyềntải, các đối tượng dạng điểm như cột điện, cây cối Các đối tượng này cócấu trúc phức tạp hơn Để mô tả chúng ngoài tọa độ (X, Y) cần có các giátrị độ cao: giá trị Z là độ cao của mặt DEM tại vị trí đối tượng và giá trị h là

độ cao riêng của đối tượng so với mặt DEM hoặc độ cao thực H của đốitượng trong không gian ba chiều

Trên các mô hình địa hình 3D, chi tiết của các khu đô thị, nhà và cáckhối nhà là nhóm đối tượng được quan tâm rất nhiều về cách thể hiện.Nhóm đối tượng này khá đa dạng về cấu trúc hình học Chúng có thể đượcthể hiện chi tiết bằng các mô hình 3D thực mà mỗi nút đều mang giá trị (X,

Y, H) hoặc được khái quát hoá ở các mức độ khác nhau phụ thuộc vào LoD(level of detail) Một cách thể hiện đơn giản là nhà được đẩy lên từ đườngviền đáy nhà nằm trên mặt DEM một khoảng bằng chiều cao riêng (h) của

nhà thành một hình hộp

 Dữ liệu thuộc tính

Dữ liệu thuộc tính của các đối tượng này cần phải được thu thập vàgắn kết với dữ liệu đồ họa một cách thống nhất theo nguyên tắc của hệthống thông tin địa lý (GIS) Các thuộc tính của đối tượng có thể là cả địnhlượng lẫn định tính Các công cụ của GIS cho phép thực hiện các phépphân tích dựa trên các dữ liệu này một cách hiệu quả hơn Các dữ liệuthuộc tính này cũng có thể được sử dụng để điều khiển cách hiển thị củađối tượng theo các nguyên tắc bản đồ

Tóm lại, cấu trúc của mô hình địa hình 3D bao gồm: nền DEM, dữliệu đồ họa 2D hoặc 3D của các đối tượng địa hình, dữ liệu thuộc tính gánvới dữ liệu đồ họa này và tất cả được hiển thị trong môi trường 3D theonguyên tắc bản đồ

2.2.3 Cấp độ chi tiết (LoD) của mô hình địa hình 3D

Quá trình xây dựng mô hình địa hình 3D có thể chia thành hai bướcchính cũng tương tự như khi làm sa bàn, đầu tiên phải tạo khung, sau đómới phủ lên trên các lớp màu và gán thêm các đối tượng khác Cụ thể là:

Bước 1: Xây dựng mô hình hình học (modeling) bao gồm xây dựng

DEM và mô hình hoá các đối tượng địa hình 3D

Bước 2: Hiển thị trực quan (visualistion) các đối tượng của mô hình Khi thiết kế mô hình mô phỏng thế giới thực người thiết kế khó cóthể xây dựng được một mô hình giống thế giới thực 100% Câu hỏi luônluôn được đặt ra là các đối tượng sẽ được thể hiện giống với thực tế đếnmức nào Mô hình càng giống với thực tế thì dung lượng dữ liệu càng lớn

và tốc độ hiển thị càng chậm và chi phí xây dựng mô hình càng cao Khái

niệm cấp độ chi tiết: LoD - Level of Detail được đưa ra để diễn tả mức độ

chi tiết, sự giống nhau giữa mô hình địa hình 3D và thế giới thực

Ở bước 1- Xây dựng mô hình hình học, LoD sẽ quyết định độ chi tiếtcủa các đối tượng như độ chính xác của DEM, những chi tiết nào của bềmặt đất có thể bỏ qua, những công trình kiến trúc nào phải được thể hiện vàthể hiện đến mức nào, những tiểu tiết nào có thể được khái quát hoá

Ở bước 2 - Hiển thị trực quan, LoD sẽ quyết định về mặt hình thứcđối tượng sẽ được thể hiện giống với hình ảnh thực đến mức nào Có hai xuhướng thể hiện trái ngược nhau Một là ký hiệu hoá tối đa các đối tượngtheo các nguyên tắc bản đồ: symbolisation Hai là cố gắng thể hiện các đốitượng càng giống với hình ảnh thực càng tốt : Photo-realistic Thí dụ, ởcách thứ nhất một ngôi nhà bê tông được qui định thể hiện đơn giản là mộtkhối màu xám, ở cách thứ hai nó được chụp ảnh ở tất cả các bề mặt và cácảnh này được đính lên từng bề mặt của mô hình ngôi nhà Người thiết kếphải 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 cácđối tượng 3D trên DEM và ở bước hiển thị trực quan phải đồng đều

Nhiều ý kiến cho rằng trong một mô hình địa hình 3D lý tưởng, mỗiđối tượng phải có nhiều cách thể hiện khác nhau (multi-presentation –multi-LoD) cho các mức độ chi tiết khác nhau Một số đề xuất về LoD đãđược đưa ra cho một mô hình như thế, trong đó dữ liệu được chia thành cácmảnh nhỏ (tile) Ba bộ dữ liệu ở ba cấp độ chi tiết (độ chi tiết cao, trungbình và thấp) được lưu trữ cho từng mảnh nhỏ đó Để tạo ra một hình ảnhphối cảnh của mô hình, mỗi mảnh nhỏ sẽ được thể hiện ở một cấp độ chitiết nhất định phụ thuộc vào khoảng cách từ vị trí theo dõi đến mảnh đó.Cần phải có phương án xử lý thật tốt khi hiển thị ở khu vực ranh giới giữahai mảnh có cấp độ chi tiết khác nhau Một khó khăn khác khi xây dựng

một mô hình như thế là dung lượng dữ liệu sẽ tăng rất nhanh cùng với sốcấp độ chi tiết được lưu trữ.

Mối liên hệ giữa khái niệm tỷ lệ của mô hình địa hình 2D và LoDcủa mô hình địa hình 3D có nhiều điểm tương đương Chúng đều liên quanđến độ chính xác và mức độ khái quát hoá của các đối tượng

Khi làm việc với dữ liệu dạng số, tỷ lệ bản đồ đầu tiên thể hiện tươngquan giữa kích thước của đối tượng trong file số và trên bản in

Nhưng không chỉ như thế, dữ liệu thường được tạo ra cho một tỷ lệnào đó và chất lượng của dữ liệu cũng phù hợp với các qui định đề ra choloại tỷ lệ đó về độ chính xác, mức độ khái quát hoá cũng như phạm vi baotrùm của từng tờ bản đồ Tương tự như thế đối với mô hình địa hình 3D, độchi tiết, độ chính xác của DEM phải tương đồng với cách thể hiện của cácđối tượng nằm trên mặt DEM

Ở các tỷ lệ nhỏ, trên mô hình địa hình 2D rất nhiều đối tượng đượcthể hiện nửa tỷ lệ hoặc phi tỷ lệ Trên mô hình địa hình 3D ở tỷ lệ này, độcao riêng h hay độ rộng, độ dài trên mặt phẳng ngang của các đối tượngnằm trên mặt DEM thường là không đáng kể so với độ chính xác, haychênh cao của DEM Người xem không có ấn tượng nhiều khi xem chúngđược dựng lên trong môi trường 3D cho một khu vực rộng đúng như kích

Hình 2.2 Cấp độ chi tiết L 0 D đối với các đối tượng nhà, khối nhà

thước thực của một tờ bản đồ tỷ lệ nhỏ Các đối tượng nổi trên mặt đấtdường như nằm ép sát xuống mặt DEM Ở các tỷ lệ lớn, chúng nổi lên vàcho người khảo sát ấn tượng rõ ràng hơn

2.2.4 Một số kỹ thuật hiển thị đồ họa

Gán chất liệu bề mặt (texture mapping) là một kỹ thuật được áp dụngnhiều trong hiển thị đồ họa Đó là động tác gán hình ảnh lên bề mặt của đốitượng Thí dụ, người ta chụp ảnh các bề mặt của ngôi nhà và gán các ảnhnày lên các mặt tương ứng của đối tượng trong mô hình Quá trình này chokết quả rất giống với hình ảnh thực tế nhưng cũng tăng dung lượng và thờigian xử lý lên rất nhiều nên thường chỉ được áp dụng với những khu vựcnhỏ, đòi hỏi độ chi tiết cao

Trong bước hiển thị trực quan (visualistion), ngoài kỹ thuật gán chấtliệu bề mặt (texture mapping) kỹ thuật rendering hay vờn bóng (shading) làmột kỹ thuật được áp dụng để tăng khả năng cảm nhận độ sâu của ngườiquan sát, những vùng sáng tối được tạo thể hiện mức độ được chiếu sángtừng bề mặt của đối tượng bởi nguồn sáng từ một góc nhất định Vờn bóngđịa hình (hillshading) cũng đã được áp dụng rất nhiều để thể hiện bề mặtđịa hình trong bản đồ 2D truyền thống và đối với bản đồ 3D, kỹ thuật nàycàng tạo ra những cảm giác thật hơn về bề mặt địa hình cũng như về cácđối tượng khác nằm trên đó

Các đối tượng của bản đồ có thể được thể hiện và vờn bóng bằng cácphương pháp khác nhau Để có kết quả càng đẹp thì thời gian hiển thị càngtăng Xin điểm qua các phương pháp rendering chính:

 Wireframe là phương pháp rendering nhanh nhất, chỉ thể hiện

đường khung xương chính của đối tượng

 Solid shading được thực hiện tương đối nhanh, mỗi đối tượng