Phát 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 đờng Khoa Công trình - Trờng 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 ny, cần thiết phải xây dựng các hệ thống thông tin địa lý chuyên dụng. Bi viết giới thiệu tóm tắt các kết quả nghiên cứu đang đợc 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 lợng 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 nh địa hình, địa chất, thủy văn, môi trờng v.v. của nơi đặt công trình hoặc cả một khu vực. Cho đến nay, các thông tin kể trên hầu hết đều đợc khảo sát trực tiếp khi hình thành các dự án xây dựng và sau đó đợc quản lý một cách rời rạc hoặc ở dạng tĩnh nh 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 đợc 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 tợng và do đó đòi hỏi các phơng pháp xử lý thích hợp. Để hỗ trợ cho việc quản lý, lu 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 đợc tiến hành tại Bộ môn Tự động hoá Thiết kế Cầu đờng, Khoa Công trình. II. Khái niệm về Hệ thống thông tin địa lý Với các tiến bộ vợt 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 ngời. Với các hệ thống thích hợp, các dữ liệu do máy tính xử lý đợc 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 tợng trong một vùng lãnh thổ hoặc một quốc gia. Các đối tợng địa lý thờng chứa hai loại thông tin cơ bản: thông tin hình học nh hình dạng và vị trí của đối tợng trong không gian và các thông tin chuyên đề, là các thông tin tơng ứng với một nhu cầu sử dụng nhất định nào đó, nh số làn xe và cấp tải trọng của tuyến đờng, v.v (hình 1). Các thông tin địa lý, cho đến nay, đợc thể hiện hầu hết dới dạng các bản đồ, ví dụ, bản đồ hành chính, bản đồ địa hình v.v , với khả năng tơng 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 trờng 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 đợc áp dụng để xử lý các thông tin rất đa dạng nh: địa hình, địa chất, phân bố đất đai, môi trờng, dân c, nớc ngầm, phát triển công nghiệp, mạng lới 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 lới giao thông với sự phân bố dân c hoặc phát triển công nghiệp trong một khu vực. Trong thời gian gần đây, các hệ thống thông tin địa lý đợc u tiên phát triển ở rất nhiều nớc trên thế giới. Nhiều nớc đã công khai hoá một phần các thông tin địa lý của mình dới dạng các hệ thông tin địa lý tự do. Các nớc phát triển nh Mỹ, Canada, Anh, Đức đã để các thông tin về mạng lới đờng bộ, đờng thuỷ và đờng sắt của mình lên mạng Internet. Về mặt cấu trúc hệ thống, các hệ thống thông tin địa lý thờng 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 nh thể hiện, trình bày dữ liệu (hình vẽ 2). Các thông tin đợc quản lý và lu trữ trong các cơ sở dữ liệu. Các thông tin này đợc 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 phơng pháp hớng đối tợng, thông tin trong các hệ thống thông tin địa lý hiện đại đợc tổ chức thành các đối tợng. Điều này giúp cho việc chuyển giao thông tin giữa các hệ thống có thể đợc thực hiện một cách dễ dàng và đầy đủ hơn so với các phơng pháp tổ chức thông tin khác. Trong các hệ thống thông tin địa lý, các nhóm thông tin khác nhau đợc tổ chức thành các lớp (layer) có độ độc lập tơng 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 đa 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 tợng hình học trong các hệ thống thông tin địa lý có thể tồn tại dới dạng vec-tơ hoặc các tranh tĩnh (raster) còn các thuộc tính của chúng tồn tại dới dạng chữ - số. Các đối tợng vec-tơ có thể có đợc từ các đối tợng raster thông qua quá trình vec-tơ hoá. Đ ối t ợ n g Địa lý Dữ liệu chuyên đề Dữ liệu hình h ọ c To ạ đ ộ g ốc ( 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 III. 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, nh 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 đợc quản lý, xử lý và tích hợp với nhau để hỗ trợ một cách tối u 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 đợc trình bày trong hình vẽ 2. Toàn bộ các thông tin địa lý cần thiết cho công tác thiết kế công trình đợc lu trữ trong một cơ sở dữ liệu quan hệ chung. Về nguyên tắc, cơ sở dữ liệu này có thể đợc 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 đợc 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 đợc 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 đợc phát triển bằng các ngôn ngữ khác nhau, khối xử lý đợc xây dựng thành các th viện COM (Component Object Model). Tơng ứng với các nhiệm vụ đã đợc 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 đợc chuyển trực tiếp đến các mô-đun khác thông qua các giao diện hoặc đợc lu trữ ở cơ sở dữ liệu. Các Chơn g trình hỗ trợ Thiết kế Khối Giao diện của HT Thôn g Tin Đ ị a l ý Cơ sở dữ liệu Thôn g tin Đ ị a l ý Thôn g Tin Đ ị a hình Khối x l ý của HT Thôn g Tin Đ ị a l ý Thôn g Tin Đ ị a chất Thôn g Tin Thu ỷ văn Thôn g tin Dân c, 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 chơng trình hỗ trợ thiết kế khác đang đợc sử dụng hoặc sẽ đợc phát triển, khối giao diện của hệ thống đợc lựa chọn là hệ thống AutoCAD của Autodesk. Để AutoCAD có thể xử lý một cách thông minh các đối tợng địa lý của hệ thống, một hệ thống đối tợng chuyên dụng đã đợc phát triển bằng cách kế thừa các đối tợng từ th viện hớng đối tợng 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 đờng, các thông tin địa hình thờng đóng một vai trò khá quyết định trong việc định tuyến và xác định khối lợng thi công công trình. Hiện tại có rất nhiều phơn g pháp để xâ y d ự n g mô hình đ ị a hình số nh phơn g pháp lới qu y tắc, phơn g pháp lới tam g iác bấ t qu y tắc Delauna y . Để xâ y d ự n g mô hình đ ị a hình số, phơn g pháp lới tam g iác Delauna y đã đ ợ c l ự a ch ọ n. Đâ y là phơn g pháp đ ợ c dùng khá phổ biến hiện na y do tính phù h ợ p với đ ị a m ạ o của nó m ặ c dù thu ậ t toán xâ y d ự n g lới tam g iác nà y rất khó để l ậ p trình. Hình vẽ 3 trình bà y kết quả thể hiện tron g môi trờn g AutoCad mô hình đ ị a hình số của m ộ t khu v ự c đ ợ c xâ y d ự n g theo phơn g pháp lới tam giác Delauna y đ ợ c phát triển t ạ i B ộ môn Tự động hoá Thiết kế Cầu đờng. Hệ thốn g thôn g tin đ ị a hình có nhiệm v ụ lu trữ, quản l ý , tính toán xử l ý và thể hiện các thôn g tin đ ị a hình của khu v ự c nh điểm đo, các bề m ặ t số, các v ị trí đ ị a hình đ ặ c biệt nh côn g trình nhân t ạ o, các đ ị a v ậ t t ự nhiên, v.v. Thông tin các điểm đo đợc nhập từ các n g uồn dữ liệu khác nhau và đ ợ c lu trữ dới d ạ n g các bản g của cơ sở dữ liệu. Trên cơ sở các thôn g tin từ các điểm đo nà y , hệ thốn g sẽ xây dựng mô hình địa hình số phản ánh chính xác đ ị a m ạ o của khu v ự c khảo sát cũn g nh làm cơ sở để phát triển các ứn g d ụ n g khác nh tính toán đờn g phân thu ỷ , t ụ thu ỷ cũn g nh lu v ự c và tính toán các khối l ợ n g đào đắp về sau. Mô hình đ ị a hình số cũn g đ ợ c s ử d ụ n g để kiểm tra tính thích h ợ p của các thiế t kế công trình trên các mô hình 3 chiều. Hình 3. Mô hình địa hình số 3.3. Xử lý thông tin địa chất Tơng tự thông tin địa hình, các thông tin địa chất đợc quản lý dới 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 lu trữ, quản lý và trình bày dới 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 đợc các thông tin địa chất ở từng địa điểm công trình. Việc nội suy để xây dựng bề mặt địa chất đợc thực hiện dựa trên đa giác Voronoi. Đa giác Voronoi đợc tạo ra từ hệ thống đờng trung trực của các tam giác Delaunay đã đợc nêu lên ở phần trên và phản ánh chính xác miền ảnh hởng của các điểm. Dựa theo nguyên tắc này, miền ảnh hởng của từng hỗ khoan địa chất sẽ đợc xác định và từ đó xây dựng các bề mặt địa chất cho từng khu vực. Hình 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 đợc 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, lu trữ và xử lý chúng một cách có hệ thống. Các hệ thống thông tin địa lý đợc nghiên cứu và phát triển tại Bộ môn Tự động hoá Thiết kế Cầu đờng 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 lm 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 . 1. Thông tin địa lý III. 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, nh đã nêu ở trên, bao gồm xử lý rất nhiều thông. Phát 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 đờng Khoa Công trình - Trờng ĐHGTVT Tóm tắt: Trong thiết kế. 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 đợc