Đặc điểm của các thông tin có tính địa lý thông tin địa lý là chúng gắn liền với vị trí và hình dạng cụ thể trong không gian của các đối tượng và do đó đòi hỏi các phương pháp xử lý thíc
Trang 1Phát triển Hệ thống thông tin địa lý
hỗ trợ thiết kế công trình xây dựng
TS ngô đăng quang
Bộ môn Tự động hoá thiết kế cầu đường Khoa Công trình - Trường ĐHGTVT
Tóm tắt: Trong thiết kế các công trình xây dựng, dữ liệu địa lý luôn đóng một vai trò quan
trọng Nhằm khai thác có hiệu quả các thông tin dạng nμy, cần thiết phải xây dựng các hệ thống thông tin địa lý chuyên dụng Bμi viết giới thiệu tóm tắt các kết quả nghiên cứu đang được
áp dụng để xây dựng các hệ thống thông tin địa lý hỗ trợ thiết kế công trình xây dựng
Summary: In design of civil constructions the geographical informations always play a
important role In order to exploit this information efficiently some specialized Geographic Information Systems (GIS) should be build This paper introduces brieftly some research results being applied in development of GIS to support the design of civil constructions
I đặt vấn đề
Việc thiết kế các công trình xây dựng đòi
hỏi phải xử lý một lượng lớn thông tin đa dạng
và từ các nguồn rất khác nhau Rất nhiều
thông tin trong số đó có liên quan trực tiếp
hoặc gián tiếp đến các yếu tố có tính địa lý
như địa hình, địa chất, thủy văn, môi trường
v.v của nơi đặt công trình hoặc cả một khu
vực
Cho đến nay, các thông tin kể trên hầu
hết đều được khảo sát trực tiếp khi hình thành
các dự án xây dựng và sau đó được quản lý
một cách rời rạc hoặc ở dạng tĩnh như báo
cáo, bản vẽ, v.v hoặc ở các cơ sở dữ liệu
riêng biệt Việc truy cập và khai thác chúng
cho các dự án xây dựng mới đều được thực
hiện rất khó khăn
Đặc điểm của các thông tin có tính địa lý
(thông tin địa lý) là chúng gắn liền với vị trí và
hình dạng cụ thể trong không gian của các đối
tượng và do đó đòi hỏi các phương pháp xử lý
thích hợp Để hỗ trợ cho việc quản lý, lưu trữ
và xử lý các thông tin dạng này, một kiểu hệ
thống thông tin mới đã hình thành - Hệ thống
thông tin địa lý Phụ thuộc vào các ứng dụng chuyên môn cụ thể có thể có các hệ thống thông tin địa lý khác nhau
Bài viết này trình bày một số nghiên cứu phát triển hệ thống thông tin địa lý khác nhau
hỗ trợ thiết kế công trình xây dựng đã và đang
được tiến hành tại Bộ môn Tự động hoá Thiết
kế Cầu đường, Khoa Công trình
II Khái niệm về Hệ thống thông tin
địa lý
Với các tiến bộ vượt bậc của các công nghệ phần cứng và phần mềm, các hệ thống thông tin đang ngày càng trở nên hoàn thiện
và hỗ trợ ngày càng tốt hơn các hoạt động của con người Với các hệ thống thích hợp, các dữ liệu do máy tính xử lý được ngày càng trở nên đa dạng, phong phú và hoàn chỉnh hơn Hệ thống thông tin địa lý (Geographic Infor-mation System - GIS) là các hệ thống tích hợp, có nhiệm vụ thu thập, xử lý, quản lý
và thể hiện các thông tin có liên quan đến địa
lý (hay còn gọi là thông tin địa lý) của các đối tượng trong một vùng lãnh thổ hoặc một quốc gia Các đối tượng địa lý thường chứa hai loại
Trang 2thông tin cơ bản: thông tin hình học như hình
dạng và vị trí của đối tượng trong không gian
và các thông tin chuyên đề, là các thông tin
tương ứng với một nhu cầu sử dụng nhất định
nào đó, như số làn xe và cấp tải trọng của
tuyến đường, v.v (hình 1)
Các thông tin địa lý, cho đến nay, được
thể hiện hầu hết dưới dạng các bản đồ, ví dụ,
bản đồ hành chính, bản đồ địa hình v.v , với
khả năng tương đối hạn chế trong việc xử lý
và thể hiện thông tin Các hệ thống thông tin
địa lý, khi ra đời, đã tạo ra một môi trường
thống nhất cho các loại thông tin này Chúng
không đơn giản là các bản đồ số hoá
(digital-ized map): với việc tích hợp ngày càng rộng
rãi các loại dữ liệu, các hệ thống thông tin địa
lý có thể được áp dụng để xử lý các thông tin
rất đa dạng như: địa hình, địa chất, phân bố
đất đai, môi trường, dân cư, nước ngầm, phát
triển công nghiệp, mạng lưới giao thông v.v
Ngoài ra các hệ thống thông tin địa lý còn cho
phép thực hiện các tính toán đánh giá các
thông tin này với nhau, ví dụ so sánh sự phát
triển của mạng lưới giao thông với sự phân bố
dân cư hoặc phát triển công nghiệp trong một
khu vực Trong thời gian gần đây, các hệ
thống thông tin địa lý được ưu tiên phát triển ở
rất nhiều nước trên thế giới Nhiều nước đã
công khai hoá một phần các thông tin địa lý
của mình dưới dạng các hệ thông tin địa lý tự
do Các nước phát triển như Mỹ, Canada, Anh, Đức đã để các thông tin về mạng lưới
đường bộ, đường thuỷ và đường sắt của mình lên mạng Internet
Về mặt cấu trúc hệ thống, các hệ thống thông tin
địa lý thường bao gồm các
bộ phận chính là một hoặc
nhiều cơ sở dữ liệu, một hệ
thống xử lý và các giao diện
làm nhiệm vụ truy nhập và truy xuất cũng như thể hiện, trình bày dữ liệu (hình vẽ 2) Các thông tin được quản lý
và lưu trữ trong các cơ sở dữ liệu Các thông tin này được
xử lý theo các yêu cầu nhất
định và trình bày ở các dạng thích hợp thông qua hệ thống thể hiện Với sự phát triển của phương pháp hướng đối tượng, thông tin trong các hệ thống thông tin địa lý hiện đại được tổ chức thành các đối tượng Điều này giúp cho việc chuyển giao thông tin giữa các hệ thống có thể được thực hiện một cách dễ dàng và đầy
đủ hơn so với các phương pháp tổ chức thông tin khác Trong các hệ thống thông tin địa lý, các nhóm thông tin khác nhau được tổ chức thành các lớp (layer) có độ độc lập tương đối với nhau Giữa các lớp này có thể tồn tại các liên hệ để, qua đó, hệ thống có thể thực hiện các tính toán nhất định với thông tin ở các lớp khác nhau Dữ liệu đưa vào các hệ thống thông tin địa lý có thể ở các dạng rất khác nhau: dạng chữ-số (alpha-numeric), bản vẽ (graphic) hoặc hình ảnh (image) Các đối tượng hình học trong các hệ thống thông tin
địa lý có thể tồn tại dưới dạng vec-tơ hoặc các tranh tĩnh (raster) còn các thuộc tính của chúng tồn tại dưới dạng chữ - số Các đối tượng vec-tơ có thể có được từ các đối tượng raster thông qua quá trình vec-tơ hoá
Đối tượng
Địa lý
Dữ liệu chuyên đề
Dữ liệu hình
học
Toạ độ gốc (1,2,3)
Góc (30)
Hình dạng (Điểm)
Tên (Hố khoan A) Lớp địa chất (4) Chiều sâu (H30)
Hình 1 Thông tin địa lý
Trang 3III Phát triển các hệ thống thông
tin địa lý hỗ trợ thiết kế công
trình xây dựng
Công tác thiết kế công trình xây dựng,
như đã nêu ở trên, bao gồm xử lý rất nhiều
thông tin có liên quan trực tiếp hoặc gián tiếp
đến yếu tố địa lý Với các hệ thống thông tin
địa lý, các thông tin này được quản lý, xử lý và
tích hợp với nhau để hỗ trợ một cách tối ưu
cho các hệ thống phần mềm xây dựng
3.1 Cấu trúc hệ thống
3.1.1 Cơ sở dữ liệu
Cấu trúc cơ bản của hệ thống được trình
bày trong hình vẽ 2 Toàn bộ các thông tin địa
lý cần thiết cho công tác thiết kế công trình
được lưu trữ trong một cơ sở dữ liệu quan hệ
chung Về nguyên tắc, cơ sở dữ liệu này có
thể được lựa chọn bất kỳ, tuy nhiên, để thuận
tiện cho phát triển hiện tại, phần mềm cơ sở
dữ liệu MS-Access của Microsoft đã được lựa
chọn sử dụng Để có thể thay thế cơ sở dữ
liệu khi nhu cầu về dữ liệu thay đổi, hệ thống
hiện nay làm việc với cơ sở dữ liệu qua giao
diện ODBC (Open Database Connectivity)
Thông qua giao diện này, các hệ thống phần
mềm làm việc với cơ sở dữ liệu thông qua
nguồn dữ liệu (Data source) mà không phụ thuộc vào tính chất vật lý của bản thân cơ sở dữ liệu
3.1.2 Khối xử lý
Khối xử lý của hệ thống
được thiết kế và xây dựng độc lập với cơ sở dữ liệu và khối thể hiện của hệ thống Điều này
đảm bảo tính mềm dẻo và dễ
mở rộng của toàn bộ hệ thống
Để dễ dàng kết nối với các hệ thống phần mềm khác (có thể
được phát triển bằng các ngôn ngữ khác nhau, khối xử lý được xây dựng thành các thư viện COM (Component Object Model) Tương ứng với các nhiệm vụ đã được định nghĩa,
hệ thống có các mô-đun xử lý dữ liệu địa hình, địa chất, thuỷ văn, v.v Kết quả xử lý dữ liệu ở mỗi mô-đun
có thể được chuyển trực tiếp đến các mô-đun khác thông qua các giao diện hoặc được lưu trữ ở cơ sở dữ liệu
Các Chương trình
hỗ trợ Thiết kế
Khối Giao diện của
HT Thông Tin Địa lý
Cơ sở dữ liệu Thông tin Địa lý
Thông Tin Địa
hình
Khối xư lý của HT Thông Tin Địa lý
Thông Tin Địa chất
Thông Tin Thuỷ văn
Thông tin Dân cư, Kinh tế …
Hình 2 Cấu trúc hệ thống thông tin địa lý hỗ trợ thiết kế
công trình xây dựng
3.1.3 Khối giao diện
Để có thể kết hợp một cách có hiệu quả với các hệ thống chương trình hỗ trợ thiết kế khác đang được sử dụng hoặc sẽ được phát triển, khối giao diện của hệ thống được lựa chọn là hệ thống AutoCAD của Autodesk Để AutoCAD có thể xử lý một cách thông minh các đối tượng địa lý của hệ thống, một hệ thống đối tượng chuyên dụng đã được phát triển bằng cách kế thừa các đối tượng từ thư viện hướng đối tượng ObjectARX của AutoCAD
3.2 Xử lý thông tin địa hình
Trong công tác thiết kế và xây dựng công trình, đặc biệt là các công trình đường, các thông tin địa hình thường đóng một vai trò khá quyết định trong việc định tuyến và xác định khối lượng thi công công trình
Trang 4Hiện tại có rất nhiều phương pháp để xây dựng mô hình địa hình số như phương pháp lưới quy tắc, phương pháp lưới tam giác bất quy tắc Delaunay Để xây dựng mô hình địa hình số, phương pháp lưới tam giác Delaunay
đã được lựa chọn Đây là phương pháp được dùng khá phổ biến hiện nay do tính phù hợp với địa mạo của nó mặc dù thuật toán xây dựng lưới tam giác này rất khó để lập trình Hình vẽ 3 trình bày kết quả thể hiện trong môi trường AutoCad mô hình địa hình số của một khu vực được xây dựng theo phương pháp lưới tam giác Delaunay được phát triển tại Bộ môn
Tự động hoá Thiết kế Cầu đường
Hệ thống thông tin địa hình có nhiệm vụ
lưu trữ, quản lý, tính toán xử lý và thể hiện các
thông tin địa hình của khu vực như điểm đo,
các bề mặt số, các vị trí địa hình đặc biệt như
công trình nhân tạo, các địa vật tự nhiên, v.v
Thông tin các điểm đo được nhập từ các
nguồn dữ liệu khác nhau và được lưu trữ dưới
dạng các bảng của cơ sở dữ liệu Trên cơ sở
các thông tin từ các điểm đo này, hệ thống sẽ
xây dựng mô hình địa hình số phản ánh chính
xác địa mạo của khu vực khảo sát cũng như
làm cơ sở để phát triển các ứng dụng khác
như tính toán đường phân thuỷ, tụ thuỷ cũng
như lưu vực và tính toán các khối lượng đào
đắp về sau Mô hình địa hình số cũng được sử
dụng để kiểm tra tính thích hợp của các thiết
kế công trình trên các mô hình 3 chiều
Hình 3 Mô hình địa hình số
3.3 Xử lý thông tin địa chất
Tương tự thông tin địa hình, các thông tin
địa chất được quản lý dưới dạng dữ liệu của
các hỗ khoan địa chất rời rạc trong các bảng
của cơ sở dữ liệu quan hệ Bên cạnh các khả
năng về lưu trữ, quản lý và trình bày dưới dạng
các báo cáo các thông tin địa chất ở các hố
khoan của khu vực, hệ thống thông tin địa
chất còn có khả năng xây dựng các bề mặt
địa chất ở dạng 3 chiều trên cơ sở nội suy Từ
các bề mặt địa chất này, hệ thống có thể tính
toán được các thông tin địa chất ở từng địa
điểm công trình
Việc nội suy để xây dựng bề mặt địa chất
được thực hiện dựa trên đa giác Voronoi Đa giác Voronoi được tạo ra từ hệ thống đường trung trực của các tam giác Delaunay đã được nêu lên ở phần trên và phản ánh chính xác miền ảnh hưởng của các điểm Dựa theo nguyên tắc này, miền ảnh hưởng của từng hỗ khoan địa chất sẽ được xác định và từ đó xây dựng các bề mặt địa chất cho từng khu vực
Trang 5Hình vẽ 4 trình bày hệ thống đa giác Voronoi của hệ thống điểm là các hố khoan địa chất
iV Kết luận
Trong thiết kế công trình xây dựng, các thông tin địa lý luôn đóng các vai trò quan trọng Để các thông tin này có thể được sử dụng một cách có hiệu quả, cần thiết phải phát triển các hệ thống thông tin địa lý chuyên dụng có khả năng quản lý, lưu trữ và xử lý chúng một cách có hệ thống
Các hệ thống thông tin địa lý được nghiên cứu và phát triển tại Bộ môn Tự động hoá Thiết kế Cầu đường là các hệ thống chuyên dụng làm cơ sở thông tin cho các công tác thiết kế công trình xây dựng
Hình 4 Đa giác Voronoi lμm cơ sở để xây dựng
các bề mặt địa chất
Tài liệu tham khảo
[1] Ralf Bill Cơ sở của các hệ thống thông tin địa
lý, tập 1, 2 (Grundlage der Geo-Informations systeme - Nguyên bản tiếng Đức) NXB
Wichmann, 1999
[2] Ngô Đăng Quang Xây dựng hệ thống thông tin
tích hợp cho ngành xây dựng Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, số 5, 2003♦
