Mô hình hóa bản đồ ba chiều và ứng dụng

GIS đã có những bước phát triển vượt bậc và được ứng dụng rộng rãi trong tất cả các ngành, các lĩnh vực, như trong các ngành: đo đạc và bản đồ, quản lý, dự báo và sử dụng có hiệu quả tài

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN NGỌC VŨ

MÔ HÌNH HÓA BẢN ĐỒ BA CHIỀU VÀ ỨNG DỤNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hà Nội - 2010

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Đặng Văn Đức, Viện Công nghệ thông tin, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, người đã định hướng, đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo khoa Công nghệ Thông tin, trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội, những người đã tận tình truyền đạt các kiến thức, quan tâm, động viên trong suốt thời gian tôi học tập và nghiên cứu tại Trường

Nhân đây cho phép tôi gửi lời cảm ơn tới nhóm các bạn học cùng lớp K15T3, lớp chuyên ngành Hệ thống thông tin, các bạn đồng nghiệp đã thường xuyên quan tâm, giúp đỡ, chia sẻ kinh nghiệm, cung cấp các tài liệu hữu ích trong suốt thời gian học tập tại Trường và đặc biệt là trong quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp vừa qua

Hà Nội, tháng 10 năm 2010

Tác giả luận văn

Nguyễn Ngọc Vũ

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bản luận văn “Mô hình hóa bản đồ ba chiều và ứng dụng” là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Đặng Văn Đức, tham khảo các nguồn tài liệu đã chỉ rõ trong trích dẫn và danh mục tài liệu tham khảo Các nội dung công bố và kết quả trình bày trong luận văn này là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất cứ công trình nào

Hà Nội, tháng 10 năm 2010

Tác giả luận văn

Nguyễn Ngọc Vũ

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM ĐOAN ii

DANH SÁCH BẢNG BIỂU v

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vi

BẢNG KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT ix

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ TRÊN KHÔNG GIAN BA CHIỀU (3D GIS) 5

1.1 Giới thiệu 5

1.2 Hệ thống thông tin địa lý (GIS) 5

1.2.1 Khái niệm 5

1.2.2 Các chức năng GIS 9

1.2.3 Ứng dụng của GIS 10

1.2.4 Các phần mềm GIS thông dụng 10

1.3 Hệ thống thông tin địa lý trên không gian ba chiều (3D GIS) 15

1.3.1 Khái niệm 15

1.3.2 Các chức năng của 3D GIS 16

1.3.3 Các phần mềm 3D GIS 17

1.3.4 Ứng dụng của 3D GIS 21

CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP BIỂU DIỄN BẢN ĐỒ BA CHIỀU 22

2.1 Giới thiệu 22

2.2 Các phương pháp biểu diễn 3D GIS 22

2.2.1 Mô hình lưới đều (Grid) 22

2.2.2 Mô hình Shape (Shape Model) 23

2.2.3 Mô hình mặt (Facet Model) 24

2.2.4 Mô hình biểu diễn biên (Boundary Representation (B-rep)) 25

2.2.5 Mô hình mảng 3 chiều (3D Array) 27

2.2.6 Mô hình Octree 28

2.2.7 Mô hình CSG (Constructive Solid Geometry) 29

2.2.8 Mô hình 3D TIN (Tetrahedral network, TEN) 30

2.3 Các thuật toán hỗ trợ mô hình hóa bản đồ ba chiều 32

2.3.1 Thuật toán biến đổi khoảng cách (Distance Transformation) 32

2.3.2 Thuật toán khảm Voronoi (Voronoi Tessellations) 35

2.3.3 Thuật toán Triangulations (Triangulations (TINs)) 38

2.3.4 Thuật toán biến đổi khoảng cách ba chiều (3D Distance Transformation) 41 2.3.5 Thuật toán khảm Voronoi 3 chiều (3D Voronoi Tessellation) 44

2.3.6 Thuật toán sinh mạng các khối tứ diện (TEN Generation) 45

2.4 Mạng các tam giác không đều (TIN) 46

2.4.1 Cấu trúc dữ liệu TIN 47

2.4.2 Phương pháp xây dựng TIN 48

CHƯƠNG 3: BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH BA CHIỀU VÀ CÀI ĐẶT THỬ NGHIỆM 54

3.1 Giới thiệu 54

3.2 Bản đồ địa hình ba chiều 54

3.2.1 Cơ sở khoa học của bản đồ địa hình ba chiều 54

3.2.2 Nguyên tắc chung trong xây dựng và hiển thị nội dung bản đồ địa hình ba chiều 66 3.2.3 Các phương pháp thành lập bản đồ địa hình ba chiều 70

3.3 Cài đặt thử nghiệm 71

3.3.1 Phân tích yêu cầu thử nghiệm 71

3.3.2 Lựa chọn mô hình cài đặt 73

3.3.3 Lựa chọn công nghệ 74

3.3.4 Đánh giá 86

KẾT LUẬN 87

TÀI LIỆU THAM KHẢO 88

DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Các thông số tính toán từ DEM và ứng dụng của chúng 65 Bảng 3.2: Bảng mẫu thuộc tính của các đối tượng đường giao thông 70

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Mô hình công nghệ hệ thống GIS 6

Hình 1.2: Các thành phần của hệ thống GIS 7

Hình 1.3: Giao diện phần mềm AutoCAD 2010 11

Hình 1.4: Giao diện phần mềm MapInfo Professional 10.0 12

Hình 1.5: Giao diện phần mềm MicroStation 8.0 13

Hình 1.6: Giao diện phần mềm mô hình hóa 3D ArcScene của ArcGIS 14

Hình 1.7: 3D Analyst (một trong các chức năng mở rộng) [8] 18

Hình 1.8: Thành phần VirtualGIS (trong phần Add-on module) [8] 19

Hình 1.9: Thành phần Terrain bên tron hệ thống GeoMedia [8] 20

Hình 1.10: Thành phần Topographer bên trong hệ thống PAMAP GIS [8] 21

Hình 2.1: Hai loại biểu diễn đối tượng không gian [8] 22

Hình 2.2: Biểu diễn bề mặt bằng phương pháp lưới đều (Grid) [8] 23

Hình 2.3: Biểu diễn bề mặt sử dụng mô hình shape [8] 24

Hình 2.4: Mô hình TIN [8] 24

Hình 2.5: Ví dụ của các điểm địa hình (thu thập bởi đo đạc mặt đất) 25

Hình 2.6: Ví dụ biểu diễn mặt TIN của bề mặt địa hình đối với các điểm trong hình 2.5 25

Hình 2.7: Biểu diễn B-rep của polygon phẳng [8] 26

Hình 2.8: Các loại biểu diễn mặt [8] 27

Hình 2.9: Ví dụ biểu diễn mảng 3D biểu diễn đối tượng đặc [8] 27

Hình 2.10: Ví dụ biểu diễn Octree của đối tượng [8] 29

Hình 2.11: Các đối tượng đơn giản từ các khối nguyên tử đơn giản CSG [8] 30

Hình 2.12: Ví dụ mô hình 3D TIN (TEN) [8] 31

Hình 2.13: Ví dụ các lỗ khoang trong lòng đất (boreholes) giả định 31

Hình 2.14: Ví dụ của biểu diễn TIN 3D đối với các lỗ khoang trong lòng đất (boreholes) 31

Hình 2.15: Các loại biểu diễn khối [8] 32

Hình 2.16: Một vài điểm nhân (hoặc điểm mục tiêu) [8] 33

Hình 2.17: Ảnh DT của các điểm trong Hình 2.16 [8] 33

Hình 2.18: Các mặt nạ đối với các phép toán DT [8] 34

Hình 2.19: Ví dụ đa giác Voronoi được biểu diễn bởi một số điểm dữ liệu [8]. 35

Hình 2.20: Quá trình tính toán DT và tạo ảnh Voronoi trong quá trình “quét”

xuôi [8] 36

Hình 2.21: Tính toán song song DT và khảm Voronoi [8] 37

Hình 2.22: Các điểm hạt nhân 38

Hình 2.23: Các đa giác Voronoi được tạo ra của các điểm trong hinh 2.22 38

Hình 2.24: Các điểm hạt nhân đã được raster hóa của tập dữ liệu đo vẽ ảnh 38

Hình 2.25: Các đa giác Voronoi được tạo ra từ các điểm hạt nhân (hình 2.24) 38 Hình 2.26: Sáu tam giác không bị che phủ của 7 điểm được tạo bởi kỹ thuật sinh tam giác Delaunay [8] 39

Hình 2.27: Hai khả năng hình thành tam giác [8] 40

Hình 2.28: Mặt nạ (2 x 2) để dò tìm cấu trúc hình học mô hình TIN [8] 40

Hình 2.29: Dò tìm cấu trúc hình học tam giác [8] 41

Hình 2.30: Mặt nạ 3-4-5 đối với 3D DT [8] 42

Hình 2.31: Các phần của ảnh (chia theo trục Z hoặc theo mức độ)đối với 3D DT và khảm Voronoi ba chiều [8] 43

Hình 2.32: Ví dụ ảnh chuyển đổi khoảng cách 3D (3D distance transformation image) của 4 điểm [8] 44

Hình 2.33: Ví dụ phép khảm Voronoi 3 chiều của 4 điểm [8] 45

Hình 2.34: Sáu TEN không chồng đè [8] 45

Hình 2.35: Cấu trúc dữ liệu TEN (đối với TEN 1 được đưa ra trong hình 2.34) 46

Hình 2.36: Ví dụ hiển thị TEN 46

Hình 2.37: Điểm dữ liệu [5] 47

Hình 2.38: Mô hình TIN [5] 47

Hình 2.39: TIN với góc nhìn [5] 48

Hình 2.40: Đường bình độ [5] 48

Hình 2.41: Bản đồ các cột điện thoại của thành phố [5] 48

Hình 2.42: Sơ đồ Voronoi của hai vị trí [5] 49

Hình 2.43: Sơ đồ Voronoi của ba vị trí [5] 49

Hình 2.44: Sơ đồ Voronoi với 20 vị trí [5] 50

Hình 2.45: Sơ đồ Voronoi và cấu trúc TIN [5] 50

Hình 2.46: Một bước trong thuật toán greedy insertion [5] 52 Hình 2.47: Tập điểm vào [5] Error! Bookmark not defined.

Hình 2.48: Tam giác bao [5] Error! Bookmark not defined.

Hình 2.49: Tạo các tam giác đều để đưa vào TIN [5] 52

Hình 2.50: Kiểm tra điều kiện Delauney [5] 53

Hình 2.51: Mô hình TIN với tập dữ liệu vào trong hình 2.47 [5] 53

Hình 3.1: Các nội dung chính của mô hình bản đồ địa hình ba chiều [1] 55

Hình 3.2: Cấp độ chi tiết LoD đối với các đối tượng nhà, khối nhà [1] 59

Hình 3.3: Mô hình bản đồ ba chiều khu vực hồ Hoàn Kiếm 72

Hình 3.4: Góc nhìn khác của mô hình bản đồ 3 chiều khu vực hồ Hoàn Kiếm 72 Hình 3.5: Mô hình cài đặt 73

Hình 3.6: Ứng dụng Silverligt trình diễn media 75

Hình 3.7: Phép chiếu đối tượng 3D trên màn hình theo một góc nhìn cụ thể [32] 78

Hình 3.8: Mô hình hóa đối tượng trong không gian 3 chiều [32] 79

Hình 3.9: Quy tắc bàn tay phải [32] 79

Hình 3.10: Hệ trục tọa độ thuận tay phải, hướng ba ngón tay chỉ chiều dương của ba trục tọa độ XYZ [32] 80

Hình 3.11: Ví dụ khối lập phương đơn giản được tạo từ WPF 3D [32] 81

Hình 3.12: Bản đồ địa hình tỷ lệ 1:2000 khu vực Hồ Hoàn Kiếm 82

Hình 3.13: Bản đồ địa chính tỷ lệ 1:2000 khu vực Hồ Hoàn Kiếm 83

Hình 3.14: Mô hình ba chiều các công trình văn hóa, tòa nhà 84

Hình 3.15: Các tòa nhà không mô hình hóa chi tiết 85

Hình 3.16: Giao diện Microsoft Visual Studio 2008 86

DTM : Mô hình số địa hình (Digital Terrain Model)

DSM : Mô hình số bề mặt (Digital Surface Model)

GIS : Hệ thống thông tin địa lý (Geographic Information System) GPS : Hệ thống định vị toàn cầu (Global Positioning System)

GRID : Mô hình lưới đều của mô hình số độ cao

LiDAR : Công nghệ đo Laser (Light Detection And Ranging)

LoD : Cấp độ chi tiết (Level of Detail)

MultiLoD : Đa cấp độ chi tiết (Multiple Level of Detail)

TIN : Mạng các tam giác không đều (Triangulated Irregular Network)

MỞ ĐẦU

Lý do chọn đề tài:

Ngày nay, công nghệ thông tin đã trở thành công nghệ không thể thiếu trong đời sống của con người, nó đóng vai trò vô cùng quan trọng trong sự phát triển, tiến bộ văn minh nhân loại và góp phần rất lớn vào sự phát triển của nền kinh tế Ở nước ta, Chính phủ đặc biệt quan tâm việc phát triển ngành công nghệ thông tin thành một nền công nghiệp mũi nhọn, đặc biệt là việc ứng dụng công nghệ thông tin trong việc hiện đại hóa, kinh tế hóa các ngành, các lĩnh vực, đơn giản hóa thủ tục hành chính và từng bước phát triển Chính phủ điện tử

Hệ thống thông tin địa lý (GIS) ra đời vào những năm 1960 là một nhánh của công nghệ thông tin và là sự kết hợp của công nghệ thông tin, khoa học trái đất và khoa học thông tin địa lý GIS đã có những bước phát triển vượt bậc và được ứng dụng rộng rãi trong tất cả các ngành, các lĩnh vực, như trong các ngành: đo đạc và bản đồ, quản lý, dự báo và sử dụng có hiệu quả tài nguyên, thiên nhiên và môi trường, quản lý quy hoạch đô thị, giao thông, viễn thông, thăm dò khai thác dầu khí, …

Trong sự phát triển của các hệ thống thông tin địa lý (GIS), qua mỗi giai đoạn

sự phát triển nhằm đáp ứng các nhu cầu thay đổi liên tục và nhanh của con người, nhằm giải quyết các bài toán, các vấn đề liên quan đến thu thập, lưu trữ, quản lý, phân tích và mô hình hóa dữ liệu không gian địa lý Giai đoạn ban đầu, nhu cầu của con người là số hóa các bản đồ, dữ liệu không gian địa lý dưới dạng giấy, đưa vào lưu trữ, quản lý, hiển thị và phân tích các đối tượng trong không gian hai chiều, từ đó hình thành lên hệ thống thông tin địa lý trên không gian hai chiều (2D GIS) Tiếp đó, thực

tế đặt ra các bài toán mà trong đó với mỗi đối tượng trong không gian ngoài thông tin

về tọa độ không gian hai chiều x, y cần thêm thông tin về độ cao của đối tượng đó, như vậy với mỗi đối tượng trong không gian hai chiều cần phải gắn kèm thêm giá trị độ cao, từ đó hình thành nên GIS mà tác giả tạm gọi là thế hệ thứ hai, đó là hệ thống thông tin địa lý 2,5 chiều (2,5D GIS) Song hành cùng sự phát triển là sự thay đổi trong nhu cầu, đòi hỏi của con người, đó là nhu cầu về mô hình hóa, trực quan hóa, cộng với những vấn đề mà các bài toán đặt ra, như việc làm thế nào để mô hình hóa được một thành phố, trong đó ngoài yếu tố địa hình như mô hình số độ cao (DEM), cần có các đối tượng nổi trên bề mặt, tại mỗi vị trí trong không gian ngoài tọa độ địa lý

x, y có thể có nhiều giá trị độ cao mà ta phải quản lý Ngoài ra có nhiều bài toán cần đến việc phân tích, mô hình hóa trên không gian ba chiều Do đó, cần xây dựng một hệ thống thông tin địa lý ba chiều đầy đủ, hình thành lên thế hệ tiếp theo, đó là hệ thống thông tin địa lý trên không gian ba chiều (3D GIS)

Trong lĩnh vực bản đồ học, bản đồ ba chiều là một lĩnh vực còn tương đối mới

mẻ Các nhà khoa học trên thế giới đang tập trung nghiên cứu từ việc đề xuất ra các

mô hình dữ liệu, các phương pháp mô hình hóa dữ liệu ba chiều, qua đó xây dựng các cấu trúc lưu trữ, từ đó chọn ra được mô hình dữ liệu phù hợp nhất với từng bài toán cụ thể Ngoài ra, đó là việc xây dựng các phép toán, phép phân tích, xử lý và hiển thị trên không gian ba chiều mà chúng không đơn thuần chỉ là việc mở rộng một cách “cơ học” từ các phép toán trên không gian hai chiều Bản đồ ba chiều, trong đó cụ thể là bản đồ địa hình ba chiều có rất nhiều ứng dụng hữu ích như là trong quản lý giao thông, quy hoạch, kiến trúc, mô phỏng, viễn thông, du lịch, phục dựng các công trình kiến trúc cổ, quân sự, thăm dò dầu khí, …

Trên thế giới, cùng với sự phát triển của đồ họa ba chiều, các phát triển liên quan đến phần cứng hiển thị và xử lý đồ họa, các nghiên cứu, ứng dụng trên không gian ba chiều cũng rất phát triển Trong đó, hệ thống thông tin địa lý trên không gian

ba chiều và bản đồ ba chiều đã được quan tâm nghiên cứu từ khá lâu, cách đây 2-3 thập kỷ và hiện đã có rất nhiều nghiên cứu sâu, cụ thể về các vấn đề bên trong cốt lõi của các hệ thống 3D GIS Tính đến thời điểm thực hiện luận văn này, nhiều hãng, công ty lớn trên thế giới đã tập trung đầu tư và cho ra đời các sản phẩm bản đồ ba chiều phục vụ cộng đồng, có thể kể ra như: hệ thống Google Earth của hãng Google,

… và sắp tới hãng Nokia cũng phát triển dịch vụ bản đồ ba chiều nhằm cạnh trang với Google Những điều đó để thấy được rằng tầm quan trọng và tính ứng dụng của các nghiên cứu liên quan đến 3D GIS và bản đồ ba chiều

Ở Việt Nam, trong vài năm trở lại đây, 3D GIS và bản đồ ba chiều cũng đã được quan tâm nghiên cứu Có thể liệt kê ra đây một số nghiên cứu tiêu biểu như: công

trình “biểu diễn bản đồ ba chiều và ứng dụng” của tập thể tác giả Lê Quốc Hưng,

Đặng Văn Đức, Nguyễn Tiến Phương và Đặng Quốc Hữu (2001) Công trình tập trung nghiên cứu các phương pháp biểu diễn bản đồ ba chiều, qua đó đã chỉ ra rằng mô hình mạng các tam giác không đều (TIN) phù hợp để biểu diễn bản đồ ba chiều Trong lĩnh vực bản đồ học, cũng có một số công trình, trong đó tiêu biểu là công trình nghiên cứu

“nghiên cứu và thử nghiệm thành lập bản đồ địa hình 3D” của thạc sĩ Nguyễn Thị

Thục Anh và cộng sự (2005) Nghiên cứu này đã tập trung vào các khái niệm cơ bản,

cơ sở toán học của bản đồ địa hình ba chiều, trên cơ sở đó đề xuất thử nghiệm phương pháp xây dựng, biểu diễn bản đồ địa hình ba chiều dựa trên công nghệ ArcGIS của

hãng ESRI (Mỹ) Năm 2008, tại Hà Nội, Bộ Xây dựng đã tổ chức hội thảo “Hội thảo ứng dụng hệ thống thông tin địa lý (GIS) trong phát triển đô thị”, trong đó nhấn mạnh

đến vai trò quan trọng và khả năng ứng dụng của 3D GIS đối với việc hỗ trợ quy hoạch và kiến trúc cho thành phố cũng như các vấn đề về giao thông Hiện nay, ở nước

ta cũng đã ứng dụng nhiều công nghệ mới trong thể thu thập dữ liệu không gian ba chiều như bay quét địa hình sử dụng công nghệ lazer (LiDAR), đo vẽ lập thể, radar trực giao, …Những dữ liệu này là đầu vào rất tốt cho việc mô hình hóa bản đồ ba chiều, nhưng hiện tại các dữ liệu này mới được lưu trữ dưới dạng file văn bản (text) tập các tọa độ xyz, mô hình lưới đều (grid)…Ngành tài nguyên và môi trường đang

cần các nghiên cứu cụ thể ứng dụng cho các đối tượng dữ liệu quan trắc được để xây dựng và quản lý các loại bản đồ ba chiều

Với mong muốn tìm hiểu, nghiên cứu về hệ thống thông tin địa lý trên không gian ba chiều, các cấu trúc dữ liệu ba chiều, việc mô hình hóa không gian ba chiều, các thuật toán hỗ trợ trong việc mô hình hóa không gian ba chiều, … từ đó ứng dụng vào việc mô hình hóa bản đồ địa hình ba chiều của một khu vực cụ thể, xây dựng cài đặt thử nghiệm ứng dụng trên web Vì vậy, tác giả đã chọn đề tài “mô hình hóa bản đồ ba chiều và ứng dụng” làm để tài luận văn thạc sĩ của mình, đây là một đề tài tương đối mới, mang tính tổng hợp, có khả năng ứng dụng thực tiễn và mang tính cấp thiết

Mục đích nghiên cứu:

Đề tài tập trung nghiên cứu về các phương pháp mô hình hóa bản đồ ba chiều, các phép toán và các thuật toán trong không gian ba chiều Qua đó rút ra nhận xét ứng dụng vào việc thử nghiệm xây dựng hệ thống biểu diễn và mô hình hóa bản đồ địa hình ba chiều trên web của một khu vực nhỏ cụ thể

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

 Đối tượng nghiên cứu: các phương pháp mô hình hóa bản đồ ba chiều, các

thuật toán hỗ trợ mô hình hóa, bản đồ địa hình ba chiều

 Phạm vi nghiên cứu: nghiên cứu các phương pháp mô hình hóa bản đồ ba

chiều, bản đồ địa hình ba chiều và thử nghiệm mô hình hóa bản đồ địa hình

ba chiều khu vực Hồ Hoàn Kiếm, TP Hà Nội

Phương pháp nghiên cứu:

Luận văn được thực hiện dựa trên các phương pháp suy luận, phân tích, tổng hợp từ các công trình nghiên cứu, các đề tài khoa học có liên quan trong và ngoài nước

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:

 Nghiên cứu các phương pháp mô hình hóa bản đồ ba chiều, từ đó rút ra nhận xét và đưa ra phương pháp phù hợp đối với bản đồ địa hình ba chiều

 Nghiên cứu các thuật toán hỗ trợ việc mô hình hóa bản đồ ba chiều, phép toán, thuật toán phân tích, xử lý trong không gian ba chiều

 Nghiên cứu các khái niệm, cơ sở toán học, nội dung, các phương pháp thành lập bản đồ địa hình ba chiều

 Xây dựng thử nghiệm ứng dụng mô hình hóa bản đồ địa hình ba chiều trên Web

Kết cấu của luận văn:

Ngoài phần mở đầu, danh mục ký hiệu viết tắt, mục lục, danh mục tài liệu tham khảo và phần kết luận, nội dung của luận văn gồm ba chương:

 Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin địa lý trên không gian ba chiều

(3D GIS)

Chương này giới thiệu các khái niệm cơ bản, chức năng và ứng dụng của hệ thống thông tin địa lý (GIS), hệ thống thông tin địa lý trên không gian hai chiều (2D GIS), hệ thống thông tin địa lý trên không gian ba chiều (3D GIS)

 Chương 2: Các phương pháp biểu diễn bản đồ ba chiều

Chương này giới thiệu các phương pháp biểu diễn bản đồ ba chiều trong đó phân ra thành hai loại: biểu diễn mặt và biểu diễn khối Chương này đi sâu giới thiệu hai phương pháp biểu diễn: phương pháp lưới đều (grid) và phương pháp mạng tam giác không đều (TIN) Hai phương pháp này được sử dụng nhiều để xây dựng mô hình

số độ cao (DEM), mô hình số địa hình (DTM) và mô hình số bề mặt (DSM) là các cơ

sở xây dựng bản đồ ba chiều, trong đó có bản đồ địa hình ba chiều Ngoài ra, chương này cũng giới thiệu các thuật toán bổ trợ cho việc mô hình hóa bản đồ ba chiều Trên

cơ sở các phương pháp mô hình hóa và các thuật toán trình bày, tác giả đưa ra những nhận xét, đánh giá, lựa chọn phương pháp và thuật toán phù hợp đối với mô hình hóa bản đồ địa hình ba chiều

 Chương 3: Bản đồ địa hình ba chiều và cài đặt thử nghiệm

Chương này giới thiệu các khái niệm cơ bản, cơ sở toán học và các phương pháp xây dựng bản đồ địa hình ba chiều Trên cơ sở đó lựa chọn khu vực thử nghiệm xây dựng bản đồ địa hình ba chiều Chương này cũng giới thiệu các công nghệ đã được tác giả sử dụng để cài đặt thử nghiệm ứng dụng mô hình hóa bản đồ địa hình ba chiều, giới thiệu các chức năng của ứng dụng, đưa ra các nhận xét, đánh giá về ưu, nhược điểm, các kinh nghiệm thu được trong quá trình xây dựng ứng dụng thử nghiệm

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ TRÊN

KHÔNG GIAN BA CHIỀU (3D GIS) 1.1 Giới thiệu

Chương này giới thiệu tổng quan về hệ thống thông tin trên không gian ba chiều (3D GIS), các khái niệm cơ bản, các chức năng của 3D GIS, các hệ thống 3D GIS hiện

có trên thị trường và ứng dụng của 3D GIS

Hệ thống thông tin địa lý trên không gian ba chiều (3D GIS) là sự mở rộng của

hệ thống thông tin địa lý trên không gian hai chiều (2D GIS) Do đó, trước khi trình bày tổng quan về 3D GIS, tác giả cũng giới thiệu những khái niệm cơ bản, các chức năng và ứng dụng của hệ thống thông tin địa lý (GIS)

1.2 Hệ thống thông tin địa lý (GIS)

1.2.1 Khái niệm

a Khái niệm

Hệ thống thông tin địa lý (Geographic Information System - gọi tắt là GIS) là một nhánh của công nghệ thông tin được hình thành vào những năm 1960 và phát triển rất rộng rãi trong 10 năm lại đây GIS ngày nay là công cụ trợ giúp quyết định trong nhiều hoạt động kinh tế - xã hội, quốc phòng của nhiều quốc gia trên thế giới GIS có khả năng trợ giúp các cơ quan chính phủ, các nhà quản lý, các doanh nghiệp, các cá nhân đánh giá được hiện trạng của các quá trình, các thực thể tự nhiên, kinh tế - xã hội thông qua các chức năng thu thập, quản lý, truy vấn, phân tích và tích hợp các thông tin được gắn với một nền hình học (bản đồ) nhất quán trên cơ sở toạ độ của các dữ liệu đầu vào [33]

Từ năm 1980 đến nay đã có rất nhiều các định nghĩa được đưa ra, tuy nhiên không có định nghĩa nào khái quát đầy đủ về GIS vì phần lớn chúng đều được xây dựng trên khía cạnh ứng dụng cụ thể trong từng lĩnh vực Có ba định nghĩa được dùng nhiều nhất:

 GIS là một hệ thống thông tin được thiết kế để làm việc với các dữ liệu trong một hệ toạ độ quy chiếu GIS bao gồm một hệ cơ sở dữ liệu và các phương thức để thao tác với dữ liệu đó

 GIS là một hệ thống nhằm thu thập, lưu trữ, kiểm tra, tích hợp, thao tác, phân tích và hiển thị dữ liệu được quy chiếu cụ thể vào trái đất

 GIS là một chương trình máy tính hỗ trợ việc thu thập, lưu trữ, phân tích và hiển thị dữ liệu bản đồ

b Mô hình công nghệ

Một cách khái quát, có thể hiểu một hệ GIS như là một quá trình sau:

Hình 1.1: Mô hình công nghệ hệ thống GIS

 Dữ liệu vào: dữ liệu được nhập từ các nguồn khác nhau như chuyển đổi giữa

các cách biểu diễn dữ liệu, máy quét, hình ảnh từ vệ tinh, ảnh chụp, …

 Quản lý dữ liệu: sau khi dữ liệu được thu thập và tổng hợp, GIS cần cung

cấp các thiết bị có thể lưu và bảo trì dữ liệu nhằm đảm bảo: bảo mật số liệu, tích hợp số liệu, lọc và đánh giá số liệu, khả năng duy trì GIS lưu thông tin thế giới thực thành các tầng dữ liệu riêng biệt, các tầng này đặt trong cùng một hệ trục toạ độ và chúng có khả năng liên kết với nhau

 Xử lý dữ liệu: các thao tác xử lý dữ liệu được thực hiện để tạo ra thông tin

Nó giúp cho người sử dụng quyết định cần làm tiếp công việc gì Kết quả của xử lý dữ liệu là tạo ra các ảnh, báo cáo và bản đồ

 Phân tích và mô hình: số liệu tổng hợp và chuyển đổi chỉ là một phần của

GIS Những yêu cầu tiếp theo là khả năng giải mã và phân tích về mặt định tính và định lượng thông tin đã thu thập

 Dữ liệu ra: một trong các phương diện công nghệ GIS là sự thay đổi của các

phương pháp khác nhau trong đó thông tin có thể hiển thị khi nó được xử lý bằng GIS Các phương pháp truyền thống là bảng và đồ thị có thể cung cấp bằng các bản đồ và ảnh ba chiều

c Các lĩnh vực khoa học liên quan đến GIS

GIS là sự hội tụ các lĩnh vực công nghệ và các ngành truyền thống, nó hợp nhất các số liệu mang tính liên ngành bằng tổng hợp, mô hình hoá và phân tích Vì vậy

có thể nói, GIS được xây dựng trên các tri thức của nhiều ngành khoa học khác nhau để tạo ra các hệ thống phục vụ mục đích cụ thể Các ngành này bao gồm:

 Ngành địa lý: là ngành liên quan mật thiết đến việc biểu diễn thế giới và vị

trí của đối tượng trong thế giới Nó có truyền thống lâu đời về phân tích không gian và nó cung cấp các kỹ thuật phân tích không gian khi nghiên cứu

 Ngành bản đồ: nguồn dữ liệu đầu vào chính của GIS là các bản đồ Ngành

bản đồ có truyền thống lâu đời trong việc thiết kế bản đồ, do vậy nó cũng là khuôn mẫu quan trọng nhất của đầu ra GIS

 Công nghệ viễn thám: các ảnh vệ tinh và ảnh máy bay là nguồn dữ liệu địa

lý quan trọng cho hệ GIS Viễn thám bao gồm cả kỹ thuật thu thập và xử lý

dữ liệu ở mọi vị trí trên quả địa cầu Các dữ liệu đầu ra của hệ thống ảnh vệ tinh có thể được trộn với các lớp dữ liệu của GIS

 Ảnh máy bay: khi ta xây dựng bản đồ có tỷ lệ cao thì ảnh chụp từ máy bay là

nguồn dữ liệu chính về bền mặt trái đất được sử dụng làm đầu vào

 Bản đồ địa hình: cung cấp dữ liệu có chất lượng cao về vị trí của ranh giới

đất đai, nhà cửa…

 Ngành thống kê: các kỹ thuật thống kê được sử dụng để phân tích dữ liệu

GIS Nó là đặc biệt quan trọng trong việc xác định sự phát sinh các lỗi hoặc tính không chắc chắn trong số liệu của GIS

 Khoa học tính toán: tự động thiết kế máy tính cung cấp kỹ thuật nhập, hiển

thị biểu diễn dữ liệu Đồ hoạ máy tính cung cấp công cụ để thể hiện, quản lý các đối tượng đồ hoạ Quản trị cơ sở dữ liệu cho phép biểu diễn dữ liệu dưới dạng số, các thủ tục để thiết kế hệ thống, lưu trữ, xâm nhập, cập nhật

 Toán học: các ngành hình học, lý thuyết đồ thị được sử dụng trong thiết kế

hệ GIS và phân tích dữ liệu không gian

d Các thành phần của GIS

GIS bao gồm 5 thành phần:

Hình 1.2: Các thành phần của hệ thống GIS

Người xây dựng bản đồ: sử dụng các lớp bản đồ được lấy từ nhiều nguồn khác nhau, chỉnh sửa dữ liệu để tạo ra các bản đồ theo yêu cầu

Người xuất bản: sử dụng phần mềm GIS để kết xuất ra bản đồ dưới nhiều định dạng xuất khác nhau

Người phân tích: giải quyết các vấn đề như tìm kiếm, xác định vị trí…

Người xây dựng dữ liệu: là những người chuyên nhập dữ liệu bản đồ bằng các cách khác nhau: vẽ, chuyển đổi từ định dạng khác, truy nhập CSDL… Người quản trị CSDL: quản lý CSDL GIS và đảm bảo hệ thống vận hành tốt

Người thiết kế CSDL: xây dựng các mô hình dữ liệu lôgic và vật lý

Người phát triển: xây dựng hoặc cải tạo các phần mềm GIS để đáp ứng các nhu cầu cụ thể

- Dữ liệu:

Một cách tổng quát, người ta chia dữ liệu trong GIS thành 2 loại:

 Dữ liệu không gian (spatial) cho ta biết kích thước vật lý và vị trí địa lý của các đối tượng trên bề mặt trái đất

 Dữ liệu thuộc tính (non-spatial) là các dữ liệu ở dạng văn bản cho ta biết thêm thông tin thuộc tính của đối tượng

- Phần cứng:

Là các máy tính điện tử: PC, mini Computer, MainFrame … là các thiết bị mạng cần thiết khi triển khai GIS trên môi trường mạng GIS cũng đòi hỏi các thiết bị ngoại vi đặc biệt cho việc nhập và xuất dữ liệu như: máy số hoá (digitizer), máy vẽ (plotter), máy quét (scanner)…

- Phần mềm:

Hệ thống phần mềm GIS rất đa dạng Mỗi đơn vị xây dựng GIS đều có hệ phần mềm riêng của mình Tuy nhiên, có một dạng phần mềm mà các đơn vị phải xây dựng là hệ quản trị CSDL địa lý Dạng phần mềm này nhằm mục đích nâng cao khả năng cho các phần mềm CSDL thương mại trong việc: sao lưu dữ liệu, định nghĩa bảng, quản lý các giao dịch do đó ta có thể lưu các dữ liệu đồ địa lý dưới dạng các đối tượng hình học trực tiếp trong các cột của bảng quan

hệ và nhiều công việc khác

- Phương pháp phân tích: các phương pháp phân tích cấu trúc và nội dung dữ liệu

1.2.2 Các chức năng GIS

Bất kỳ một hệ thống GIS nào đều cần cung cấp thông tin về các hiện tượng không gian địa lý Nói cách khác, nhiệm vụ và chức năng của một hệ thống GIS bao gồm: 1) Thu thập dữ liệu (capture), 2) Xây dựng cấu trúc (structuring), 3) Thao tác dữ liệu (manipulation), 4) Phân tích (analysis), và 5) Hiển thị (presentation) [8]

- Thu thập dữ liệu: Việc thu thập dữ liệu là đưa dữ liệu không gian vào hệ

thống Hiện có nhiều kỹ thuật và thiết bị khác nhau phục vụ cho việc thu thập cả dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc tính Các thiết bị thường được sử dụng để thu thập dữ liệu không gian có thể được phân loại thủ công, bán tự động hoặc tự động, và đầu ra của các thiết bị đó hoặc là dữ liệu véc tơ hoặc là dữ liệu raster

- Xây dựng cấu trúc: Quá trình xây dựng cấu trúc là một giai đoạn quyết định

trong việc tạo ra CSDL không gian được sử dụng trong các hệ thống GIS Điều này là bởi nó quyết định loại các chức năng có thể được sử dụng để thao tác và phân tích Các hệ thống khác nhau có thể có khả năng xây dựng cấu trúc khác nhau (cấu trúc hình học đơn giản hoặc phức tạp, quan hệ hoặc hướng đối tượng)

- Thao tác dữ liệu: Trong số các phép toán thao tác dữ liệu, có hai phép toán

quan trọng là tổng quát hoá (generalisation) và chuyển đổi Tổng quát hóa việc làm trơn dữ liệu không gian, bao gồm: làm trơn đường, lọc bớt điểm, …Chuyển đổi bao gồm việc chuyển đổi giữa các hệ tọa độ khác nhau về một phép chiếu bản đồ cụ thể và xác định tỷ lệ

- Phân tích: là chức năng cốt lõi của hệ thống GIS, bao gồm các phép toán ma

trận và hình học trên dữ liệu không gian và thuộc tính Về cơ bản, phân tích trong GIS

là bao gồm các phép toán trên một hoặc nhiều tập dữ liệu mà có thể tạo ra được thông tin không gian mới từ tập dữ liệu đó Phân tích địa hình (terrain analysis), tính toán hình học (geometric computations), chồng xếp, tạo bộ đệm (buffering), khoanh vùng (zoning) là các chức năng phân tích đặc biệt trong GIS

- Hiển thị: là công việc cuối cùng trong hệ thống GIS, ở giai đoạn này, tất cả

các thông tin hoặc kết quả được sinh ra sẽ được hiển thị dưới dạng bản đồ, đồ thị, bảng, báo cáo, …

1.2.3 Ứng dụng của GIS

Công nghệ GIS ngày càng được sử dụng rộng rãi GIS có khả năng sử dụng dữ liệu không gian và thuộc tính (phi không gian) từ các nguồn khác nhau khi thực hiện phân tích không gian để trả lời các câu hỏi của người sử dụng Một số ứng dụng cụ thể của GIS thường thấy trong thực tế là:

- Quản lý hệ thống giao thông: tìm đường, dẫn đường, giám sát, điều khiển,

phân luồng giao thông, lập kế hoạch lưu thông xe cộ, phân tích vị trí, chọn khu vực xây dựng các tiện ích như bãi đỗ xe, ga tàu xe…Lập kế hoạch phát triển giao thông

- Quản lý giám sát tài nguyên, thiên nhiên, môi trường: quản lý gió và thuỷ

hệ, các nguồn nhân tạo, bình đồ lũ, vùng ngập úng, đất nông nghiệp, tầng ngập nước, rừng, vùng tự nhiên, phân tích tác động môi trường… Xác định

ví trí chất thải độc hại Mô hình hoá nước ngầm và đường ô nhiễm Phân tích phân bố dân cư, quy hoạch tuyến tính

- Quản lý quy hoạch: phân vùng quy hoạch sử dụng đất, quy hoạch đô thị,

hiện trạng xu thế môi trường, quản lý chất lượng nước, …

- Quản lý các thiết bị: xác định đường ống ngầm, cáp ngầm Xác định tải

trọng của lưới điện Duy trì quy hoạch các thiết bị, sử dụng đường điện

- Phân tích tổng điều tra dân số, lập bản đồ các dịch vụ y tế, bưu điện và nhiều ứng dụng khác

cơ bản về hình khối ba chiều, nhưng nó thiếu một số tính năng cao cấp thường có trong những chương trình chuyên về lập mô hình khối

Các định dạng tập tin chính của AutoCAD là DWG và định dạng trao đổi DXF; hai định dạng này được trở thành tiêu chuẩn “de facto” về dữ liệu CAD Gần đây, AutoCAD cũng hỗ trợ DWF, một định dạng được Autodesk phát triển và quảng cáo có mục đích xuất bản dữ liệu CAD

Ở Việt Nam, AutoCAD được sử dụng nhiều trong các thiết kế xây dựng và kiến trúc và được sử dụng chủ yếu bởi các kỹ sư xây dựng và các kiến trúc sư Trước đây, AutoCAD cũng được sử dụng trong việc tạo lập và lưu trữ bản đồ, nhưng do những hạn chế liên quan đến lưu trữ dữ liệu không gian và thuộc tính, các xử lý không gian nên khoảng 10 năm gần đây AutoCAD không được sử dụng nhiều để

xử lý và lưu trữ dữ liệu GIS

Hình 1.3: Giao diện phần mềm AutoCAD 2010

b MapInfo

MapInfo Professional là phần mềm hệ thống thông tin địa lí do công ty MapInfo (nay là Pitney Bowes) sản xuất Phiên bản hiện hành là MapInfo Professional 10.0 [29]

MapInfo Professional là phần mềm chạy trên môi trường Windows, có chức năng kết nối với các ứng dụng Windows khác (chẳng hạn như Microsoft Office)

Trên nền một văn bản Office có thể tạo một bản đồ MapInfo cho phép người dùng tương tác được

Trước đây MapInfo Professional cũng được nhiều người Việt Nam sử dụng để

số hóa, biên tập và lưu trữ dữ liệu bản đồ MapInfo Professional hỗ trợ rất tốt trong việc biên tập và in ấn bản đồ Nhưng khoảng 5 năm trở lại đây, do nhiều hạn chế đối với một hệ thống GIS lớn nên MapInfo Professional không còn được sử dụng nhiều đế số hóa và biên tập bản đồ

Hình 1.4: Giao diện phần mềm MapInfo Professional 10.0

c MicroStation

MicroStation là một phần mềm giúp thiết kế (CAD) được sản xuất và phân phối bởi Bentley Systems MicroStation có môi trường đồ họa rất mạnh cho phép xây dựng, quản lý các đối tượng đồ họa thể hiện các yếu tố bản đồ [31]

MicroStation còn được sử dụng để là nền cho các ứng dụng khác như: Famis, Geovec, Irasb, MSFC, Mrfclean, Mrfclean và eTools, eMap

Các công cụ của MicroStation được sử dụng để số hóa các đối tượng trên nền ảnh raster, sửa chữa, biên tập dữ liệu và trình bày bản đồ

MicroStation còn cung cấp cung cụ nhập, xuất dữ liệu đồ họa từ phần mềm khác qua các file (.dxf) hoặc (.dwg)

Những năm trước, MicroStation là phần mềm được khuyến cáo sử dụng trong việc số hóa và biên tập bản đồ đối với công tác thành lập và hiện chỉnh bản đồ ở Việt Nam Hiện nay, MicroStation vẫn được sử dụng, nhưng mục đích chủ yếu là

số hóa bản đồ, còn các công việc liên quan đến phân tích và xử lý dữ liệu không gian dần dần chuyển sang sử dụng hệ thống phần mềm Arcgis của ESRI (Mỹ)

Hình 1.5: Giao diện phần mềm MicroStation 8.0

d ArcGIS

ArcGIS là dòng sản phẩm hỗ trợ trong hệ thống thông tin địa lý (GIS) của ESRI (Mỹ) ArcGis có ba mức bản quyền license: ArcView, ArcEditor, ArcInfo Trong

đó ArcInfo có chi phí bản quyền lớn nhất và nhiều chức năng nhất [30]

ERSI có những sản phẩm chủ yếu sau:

 ArcGIS gồm các ứng dụng chính ArcMap, ArcCatalog, ArcToolbox

 ArcIMS dùng để đưa dữ liệu GIS lên Web

 ArcPad dùng cho các thiết bị Mobile

 ArcSDE dùng làm cầu nối truy xuất vào các hệ quản trị cơ sở dữ liệu

 ArcExplore dùng truy cập nguồn dữ liệu trên Web

 ArcGIS server hỗ trợ các chức năng bên phía server cũng như triển khai các ứng dụng qua mạng

ArcGIS hỗ trợ nhiều phần mở rộng gọi là các Extension, mỗi Extension hỗ trợ một số chức năng chuyên biệt như: phân tích không gian (spatial analyst), phân tích 3D (3D analyst), phân tích mạng (Network analyst), xử lý dữ liệu, thống kê không gian

ArcGIS hỗ trợ đọc được nhiều định dạng dữ liệu khác nhau (khoảng 300 định dạng) như shapefile, geodatabase, AutoCad, Raster, Coverage,

Dòng phần mềm ArcGIS du nhập vào Việt Nam từ những năm 90, sau các phần mềm GIS khác như MapInfo hay Geomedia Tuy nhiên, do tính năng mạnh mẽ và nhiều công cụ hỗ trợ nên ArcGIS được bắt đầu sử dụng nhiều ở Việt Nam, đặc biệt với các hệ thống GIS lớn

Hình 1.6: Giao diện phần mềm mô hình hóa 3D ArcScene của ArcGIS

Phần mềm mã nguồn mở có thể được định nghĩa như là những phần mềm mà tác giả của nó cho không người dùng bao gồm cả việc có quyền xem xét cách thức

mà phần mềm hoạt động để có thể hiệu chỉnh hay phát triển thêm theo ý mình, có thể được sử dụng dưới nhiều mục đích, dưới nhiều máy khác nhau hay có thể phân phối lại tuỳ ý

Điều thuận lợi chính của việc sử dụng các phần mềm mã nguồn mở là chúng được cung cấp miễn phí thay vì phải mua giấy phép như các phần mềm thương mại, tính uyển chuyển cao, có thể truy cập vào mã nguồn của chương trình và khả năng tích hợp tốt hơn vào những kỹ thuật chuẩn

Một báo cáo của UNU-Merit về sự tác động của các phần mềm mã nguồn mở đối với kinh tế Châu Âu được thực hiện bởi Cộng đồng Châu Âu, kết luận rằng các phần mềm miễn phí và mã nguồn mở cũng như các dịch vụ liên quan có thể đạt tới 32% trong tất cả các dịch vụ IT nói chung và 4% GDP Châu Âu vào năm 2010 Cũng theo báo cáo nói trên, Châu Âu là khu vực đi đầu trong lĩnh vực hợp tác toàn cầu về các dự án phần mềm miễn phí, mã nguồn mở, thư viện miễn phí và theo sau

đó là các nước Bắc Mỹ, Châu Á và Châu Mỹ Latin

Được xây dựng trên các hệ điều hành mã nguồn mở, dựa trên các cơ sở dữ liệu, dịch vụ web và các kỹ thuật phát triển phần mềm, ngày nay chúng ta tìm thấy những hệ thống mã nguồn mở tồn tại vững chắc trong lĩnh vực ứng dụng GIS Những hệ thống này có thể là những hệ quản trị cơ sở dữ liệu không gian (như POSTGIS), môi trường phân tích dữ liệu (như GRASS), kỹ thuật máy chủ cho web (như MapServer, Geoserver, Deegree), những công cụ cho máy trạm (như MapBuilder, MapBender), những công cụ GIS chuyên nghiệp cho máy desktop thông thường (như gvSIG) Nếu nói về vấn đề tích hợp dữ liệu thì các phần mềm

mã nguồn mở có khả năng hỗ trợ mạnh mẽ đối với chuẩn OGC bao gồm cả các dịch vụ web về dữ liệu không gian

Phần lớn những phần mềm mã nguồn mở về GIS đáp ứng cả nhu cầu của cộng đồng mã nguồn mở lẫn các công ty tư nhân để phát triển, tích hợp, hỗ trợ kỹ thuật

và đào tạo Nhờ vào tính mở của các phần mềm loại này, các công ty loại nhỏ và trung bình có thể dễ dàng cung cấp các giải pháp và dịch vụ của họ sau khi phát triển thêm từ các mã nguồn mở

1.3 Hệ thống thông tin địa lý trên không gian ba chiều (3D GIS)

1.3.1 Khái niệm

Thế hệ tiếp theo của công nghệ Hệ thống thông tin địa lý (GIS) cần có phương pháp mô hình hóa dữ liệu không gian mới Chúng ta gọi thế hệ tiếp theo của công nghệ GIS là hệ thống thông tin địa lý trên không gian ba chiều (3D GIS)

Dữ liệu không gian ba chiều định nghĩa vị trí bằng việc mở rộng thông qua

không gian ba chiều được định nghĩa bởi các trục X, Y và Z [8]

Hệ thống 3D GIS giúp cho việc mô hình hóa, hiển thị, quản lý, thao tác, phân

tích và hỗ trợ ra quyết định dựa trên các thông tin liên quan đến các hiện tượng (phenomena) ba chiều Định nghĩa 3D GIS có nhiều điểm giống với hệ thống 2D GIS

1.3.2 Các chức năng của 3D GIS

a Xây dựng cấu trúc dữ liệu

Mục tiêu lớn của các nghiên cứu hiện nay là xây dựng cấu trúc lưu trữ và mô hình hóa không gian 3 chiều Có hai loại cấu trúc biểu diễn chủ yếu, đó là cấu trúc

dữ liệu biểu diễn mặt (grid, shape, facet, TIN, ) và cấu trúc dữ liệu biểu diễn khối (mảng ba chiều, Octee, …) Tùy vào các bài toán khác nhau mà người ta lựa chọn

mô hình biểu diễn khác nhau, ví dụ đối với biểu diễn mô hình số độ cao (DEM) thì

mô hình mạng các tam giác không đều (TIN) là phù hợp và hiệu quả hơn cả

b Thao tác, phân tích dữ liệu

Hiện nay, nhu cầu các bài toán phân tích trên không gian ba chiều là rất lớn, nó

có ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực, ngành mà không thể tiến hành được trong điều kiện thực tế (thực địa) Ví dụ như các bài toán phân tích, đánh giá độ phủ sóng của các trạm BTS trong viễn thông, khi đó không thể dự đoán hoặc đo đạc trên thực địa được, nhất là các vùng đồi núi, không gian hiểm trở Bởi vậy mô hình số địa hình (DSM) là đầu vào vô cùng quan trọng cho bài toán trên, dựa trên đó xây dựng chương trình mô phỏng, phân tích, xử lý để tìm ra được số lượng và vị trí đặt các trạm BTS sao cho tối ưu nhất Trong giao thông, khi tiến hành xây dựng một con đường, công việc đầu tiên là dự toán xem kinh phí thực hiện hết bao nhiêu, một hạng mục quan trọng cần tính toán là xác định khối lượng đào, đắp để đạt được cao

độ như trong thiết kế, do vậy cũng cần mô hình số độ cao (DEM) của khu vực xây dựng con đường, sau đó dựa vào các công cụ xử lý, phân tích, tính toán trên không gian ba chiều, chúng ta có thể tính ra được con số tương đối chính xác về khối lượng đào đắp để từ đó tính ra dự toán Còn rất nhiều các ngành, lĩnh vực khác như: quản lý, giám sát tài nguyên thiên nhiên và môi trường, thăm dò và khai thác dầu khí, dự báo thiên tai, thời tiết, an ninh quốc phòng, giáo dục đào tạo, … cần đến các chức năng, công cụ phân tích, xử lý dữ liệu trên không gian ba chiều

c Hiển thị dữ liệu

Con người luôn có nhu cầu trực quan hóa, với dữ liệu và mô hình ba chiều cũng vậy Cần có các phần mềm, công cụ hiển thị dữ liệu ba chiều một cách trực quan Nhìn vào đó giúp con người có khả năng nhận biết được là mình đang ở trong không gian ba chiều Các nghiên cứu hiện nay tập trung vào việc tìm cách hiển thị

các đối tượng trong không gian ba chiều, từ việc mô hình hóa, tạo các hiệu ứng giả

ba chiều (như đổ bóng, đường bình độ, …) đến việc phát triển các hệ thống phần cứng như kính và màn hình ba chiều, giúp con người khi đeo kính vào có cảm nhận mình đang ở trong thế giới ba chiều, các nhà khoa học hiện nay đang nghiên cứu đưa ra các sản phẩm màn hình có thể biểu diễn không gian ba chiều mà không cần các thiết bị phụ trợ như kính

1.3.3 Các phần mềm 3D GIS

Trên thị trường hiện nay, có một số hệ thống đang trong giai đoạn thử nghiệm cung cấp giải pháp cho việc biểu diễn và phân tích không gian 3D Hiện có 4 hệ thống thông dụng, bao gồm: 3D Analyst của ArcView (hãng ESRI, Viện nghiên cứ các hệ thống môi trường, Mỹ), Imagine VirtualGIS (hãng ERDAS), GeoMedia Terrain (hãng Intergraph) và PAMAP GIS Topographer [8]

a ArcView 3D Analyst

3D Analyst (3DA) là một module được cài đặt sẵn trong phần mềm GIS ArcView Trong ArcView, module này được xem như là các phần mở rộng Hình 1.7 mô tả cấu trúc của phần mềm ArcView bao gồm các module mở rộng và các module GIS chính ArcView được thiết kế để cung cấp giải pháp tích hợp tổng thể

dữ liệu không gian một cách độc lập 3DA có thể được sử dụng để thao tác với các

dữ liệu 3D như là tạo bề mặt ba chiều, tính toán thể tích, chồng xếp các ảnh raster (như là ảnh Landsat TM, SPOT, GeoSPOTV, ảnh hàng không và bản đồ quét), và các chức năng phân tích bề mặt 3D khác như là hiển thị liên thông địa hỉnh từ một điểm tới một điểm khác

Hình 1.7: 3D Analyst (một trong các chức năng mở rộng) [8]

Đa phần hệ thống chạy trên máy tính cá nhân và hỗ trợ một số hệ điều hành như Windows 95/98/2000, Windows NT 4.0 và các hệ điều hành nền tảng UNIX Hệ thống làm việc chủ yếu với dữ liệu véc tơ Mặc dù với 3DA chúng ta có thể thao tác với dữ liệu raster nhưng chỉ với mục đích để cải thiện việc hiển thị của dữ liệu véc tơ (như việc chồng xếp dữ liệu véc tơ trên ảnh hàng không)

Tóm lại, 3DA có thể được sử dụng để thao tác với dữ liệu 3D đặc biệt với mục đích hiển thị Bởi vậy, ArcView là một trong rất nhiều hệ thống GIS 2D nhưng cung cấp khả năng hiển thị và mô hình hóa 3D, chưa đáp ứng được các bài toán phân tích 3D GIS Tuy 3DA không phải là hệ thống 3D đủ mạnh nhưng 3DA hỗ trợ cấu trúc dữ liệu TIN

b Imagine VirtualGIS

Ban đầu Imagine VirtualGIS được phát triển với mục đích đáp ứng các công việc xử lý ảnh viễn thám và xử lý ảnh nói chung Gần đây, hệ thống đã được cung cấp module chức năng GIS Imagine VirtualGIS là một trong những giải phảp GIS được phát triển bởi hãng ERDAS Inc Module GIS này được gọi là VirtualGIS Nó

là một module cung cấp công cụ phân tích trực quan 3 chiều Hệ thống này có thể chạy trên một loạt các hệ thống máy tính từ máy tính cá nhân đến máy trạm như máy tính DEC, máy tính cá nhân IBM, máy Hewlett Packard, máy Sun Sparc và máy IBM RISC Hiên tại, hệ thống làm việc với các hệ điều hành như: Windows98/2000, Windows NT và một loạt các hệ thống trên nền UNIX Nó là

một hệ thống tập trung vào việc mô hình hóa động và hiển thị thời gian thực trong môi trường hiển thị 3D Bên cạnh một số khả năng mô hình hóa 3D tốt, hệ thống cũng cung cấp khả năng bay xuyên qua (fly-through) Hình 1.8 chỉ ra tổng quan hệ thống VirtualGIS và khối chính là hệ thống Imagine

Hình 1.8: Thành phần VirtualGIS (trong phần Add-on module) [8]

So với 3DA, hệ thống này cũng tập trung vào mô hình hóa 3D nhưng chưa phải

là một hệ thống 3D GIS thực thụ

c GeoMedia Terrain

GeoMedia Terrain là một trong những hệ thống con của hệ thống GeoMedia GIS, được phát triển bởi hãng Integraph Inc Hệ thống này chạy trên hệ điều hành Windows (bao gồm Windows NT 4.0) Nói chung, Terrain được coi như một module DTM cho GeoMedia GIS Cũng giống như hai hệ thống trên, hệ thống này chưa thể được coi là một hệ thống 3D GIS thực thụ Hình 1.9 giới thiệu hệ thống con Terrain bên trong hệ thống lõi GeoMedia

Hình 1.9: Thành phần Terrain bên tron hệ thống GeoMedia [8]

d PAMAP GIS Topographer

Hệ thống GIS này là một trong những sản phẩm của hãng PCI Geomatics Inc

Nó chạy trên hệ điều hành Windows95/98 và NT PAMAP GIS là một hệ thống xử

lý dữ liệu véc tơ và raster Bên cạnh các chức năng GIS 2D, hệ thống cung cấp module xử lý dữ liệu 3D, được gọi là Topographer được mô tả trong hình 1.10 Bốn module chính này bao gồm: Mapper, Modeller, Networker và Analyser, chúng

là các module cốt lõi của hệ thống Đối với việc xử lý dữ liệu 2D, hệ thống thực hiện các công việc giống như các hệ thống ở trên Đối với dữ liệu 3D, phần lớn các chức năng 3D trong hệ thống Topographer làm việc giống như bất kỳ gói phần mềm DTM nào, ví dụ: tạo bề mặt địa hình, phân tích bề mặt địa hình, hiển thị 3D

Hệ thống này cũng tập trung vào hiển thị dữ liệu địa hình 3D

Hình 1.10: Thành phần Topographer bên trong hệ thống PAMAP GIS [8]

Tóm lại, tất cả các hệ thống được giới thiệu trong phần 1.3.3 này đều cung cấp rất ít các chức năng 3D GIS, mặc dù phần lớn trong số các sản phẩm hiển thị 3D rất tốt Hiện chưa có nhà sản xuất nào đưa ra được giải phảp tích hợp 3D GIS đầy đủ

- Quản lý quy hoạch:

- Điều tra, giám sát, quản lý tài nguyên thiên nhiên:

- Du lịch:

- An ninh, quốc phòng:

- Thăm dò, khai thác dầu khí:

- Giáo dục:

CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP BIỂU DIỄN BẢN ĐỒ BA CHIỀU 2.1 Giới thiệu

Biểu diễn đối tượng bao gồm biểu diễn mặt (surface-based) và biểu diễn khối (volume-based) Một đối tượng gọi là được biểu diễn mặt nếu đối tượng đó được biểu diễn bởi các nguyên tử bề mặt (surface primitives) Mội đối tượng được gọi là được biểu diễn khối nếu phần bên trong của đối tượng đó được mô tả bởi thông tin đặc (solid) [8] Hình 2.1 mô tả hai loại biểu diễn đối tượng không gian

Hình 2.1: Hai loại biểu diễn đối tượng không gian [8]

Biểu diễn mặt bao gồm các phương pháp: mô hình lưới đều (grid), mô hình shape (shape model), mô hình mặt (facet model) và mô hình biểu diễn biên (b-rep) Biểu diễn khối bao gồm các phương pháp: mảng ba chiều (3D array), octree, constructive solid geometry (CSG), và mạng các khối tứ diện không đều (TEN)

Để cài đặt các phương pháp biểu diễn trên, chương này cũng giới thiệu các thuật toán hỗ trợ cài đặt xây dựng 2D TIN và 3D TIN với dữ liệu không gian Các thuật toán này bao gồm: thuật toán biến đổi khoảng cách (Distance Transformation - DT), thuật toán khảm Voronoi (Voronoi Tessellations), thuật toán sinh tam giác (Triangulations)

2.2 Các phương pháp biểu diễn 3D GIS

2.2.1 Mô hình lưới đều (Grid)

Lưới đều là phương pháp biểu diễn được sử dụng rộng rãi trong việc biểu diễn

bề mặt, thành lập bản đồ số và mô hình số địa hình (DTM) Nó là một cấu trúc mà chỉ

ra các giá trị độ cao tại các vị trí chính tắc (hình 2.2) Cấu trúc này có một vài ưu điểm;

để tạo ra nó thật đơn giản, và thông tin về cấu trúc hình học (topology information) hoàn toàn được xác định Trong cấu trúc này, vị trí của các điểm mắt lưới có thể dễ dàng xác định bởi mỗi điểm mắt lưới đều có vị trí tương đối với các điểm khác Cấu

trúc này tương tự như cấu trúc mảng trong lập trình máy tính Mỗi phần tử của mảng

biểu diễn vị trí X, Y của lưới

Hình 2.2: Biểu diễn bề mặt bằng phương pháp lưới đều (Grid) [8]

Vị trí tương đối (ví dụ cấu trúc hình học hoặc các điểm láng giềng) của các điểm mắt lưới có thể dễ dàng được xác định, và chúng có thể là chính tắc hoặc không chính tắc Mặc dù với cấu trúc này có thể xây dựng bề mặt địa hình tốt, nhưng nó không phù hợp với các mặt mà tại một điểm có nhiều giá trị độ cao, ví dụ: các bức tường thẳng đứng, mái che, … Trên thực tế, đây là một trong những trở ngại chính của cấu trúc này Mặc dù nó có thể biểu diễn tốt các điểm bề mặt, kết hợp chặt chẽ các đối tượng địa hình khác hoặc các đường đứt gẫy địa hình (breaklines) như là các đối tượng dạng tuyến tính, dạng đa giác và thậm chí là các đối tượng phức tạp hơn cần

nhiều hơn các tính toán hình học và nội suy với các điểm mắt lưới

2.2.2 Mô hình Shape (Shape Model)

Mô hình shape mô tả bề mặt đối tượng bằng việc sử dụng các đạo hàm bề mặt (surface derivatives) (ví dụ: độ dốc) của các điểm bề như trong hình 2.3 Trong mô hình này, mỗi điểm mắt lưới có một giá trị độ dốc thay vì giá trị độ cao z Với các độ dốc đã biết, véc tơ pháp tuyến của một điểm mắt lưới có thể được định nghĩa và được

sử dụng để xác định hình dáng của bề mặt Cấu trúc này có ứng dụng trong việc xây

dựng lại mô hình bề mặt đặc biệt cho công việc lập bản đồ bề mặt đáy biển

Hình 2.3: Biểu diễn bề mặt sử dụng mô hình shape [8]

Mặc dù kỹ thuật này có thể được sử dụng lập bản đồ bề mặt đáy biển, nhưng việc sử dụng kỹ thuật này để lập bản đồ địa hình trên bề mặt có lẽ cần được nghiên cứu, đặc biệt theo khía cạnh thu nhận dữ liệu Trong kỹ thuật này, độ dốc của các điểm mặt lưới được xác định bằng kỹ thuật xử lý Mô hình này làm việc với các vị trí XY chính tắc hoặc không chính tắc giống như với phương pháp grid, vì vậy nó cũng có

khả năng thành lập bản đồ bề mặt giống như mô hình grid

2.2.3 Mô hình mặt (Facet Model)

Mô hình mặt mô tả bề mặt của đối tượng bởi các ô bề mặt phẳng có thể là các hình và kích thước khác nhau Một trong số các mô hình mặt thông dụng nhất là mô hình mặt tam giác (triangle facets), đôi khi còn được biết đến với cái tên là mạng lưới các tam giác không đều (TIN) Một bề mặt có thể được mô tả bởi một mạng lưới của các mặt tam giác Mỗi mặt bao gồm ba điểm đỉnh tam giác, mỗi điểm đều có ba tọa độ

x, y, z (hình 2.4)

Hình 2.4: Mô hình TIN [8]

Hình 2.5 chỉ ra một phân bố của các điểm trong thế giới thực Cấu trúc tam giác được sử dụng rộng rãi trong DTM và các phần mềm thành lập bề mặt địa hình khác bởi tính ổn định về mặt cấu trúc và khả năng thích ứng của các đối tượng địa hình, đơn giản hóa nội suy dữ và việc hiển thị dữ liệu các đối tượng dễ dàng Các tam giác hay các mô hình TIN như đã được minh họa trong hình 2.6 có thể được xây dựng trong phạm vi raster hoặc véc tơ, nơi mà phần lớn trong số các kỹ thuật sinh tam giác là dựa trên tam giác Delaunay

Nói một cách ngắn gọn, cách để tạo ra các tam giác trong phạm vi raster đầu tiên là raster hóa (rasterising) tất cả các điểm bề mặt (Những điểm sau khi raster hóa này đôi khi được biết đến như là điểm hạt nhân (kernel points) trong quá trình xử lý ảnh raster) Điều đó được thực hiện bằng cách sử dụng kỹ thuật chuyển đổi khoảng cách (distance transformation - DT) đối với từng điểm hạt nhân Kỹ thuật DT tính toán khoảng cách của mỗi điểm tới các điểm lân cận Mỗi điểm hạt nhân đều có ảnh đối ngẫu (dual image) của nó là một đa giác (polygon) Voronoi của các điểm bề mặt Khi

đó, từ ba đa giác Voronoi liền kề, tam giác Delaunay có thể được thiết lập (ví dụ: ba điểm tạo nên một tam giác) Bởi vậy, một tập các tam giác có thể được thiết lập từ một tập các đa giác Voronoi

Hình vẽ và kích thước của các tam giác thay đổi, phụ thuộc vào phân bố của tập

dữ liệu ban đầu Một trong số những ưu điểm của phương pháp biểu diễn này là dữ liệu quan trắc ban đầu được lưu trữ, tất cả các điểm bề mặt được sử dụng để biểu diễn

bề mặt Hình 2.6 đưa ra một ví dụ của một mô hình TIN được tạo lập bởi các điểm phân bố ngẫu nhiên Các điểm này được thu thập sử dụng kỹ thuật đo đạc mặt đất Hình 2.6 giải thích rằng bề mặt địa hình dưới dạng của các điểm phân bố ngẫu nhiên là

có thể được biểu diễn tốt bằng phương pháp biểu diễn mặt phẳng này

Hình 2.5: Ví dụ của các điểm địa hình

(thu thập bởi đo đạc mặt đất)

Hình 2.6: Ví dụ biểu diễn mặt TIN của bề

mặt địa hình đối với các điểm trong hình

2.5

2.2.4 Mô hình biểu diễn biên (Boundary Representation (B-rep))

Biểu diễn biên biểu diễn một đối tượng bằng cách kết hợp biểu diễn của các nguyên tử (đã được định nghĩa trước), bao gồm: điểm, cạnh, mặt và khối Ví dụ các

phần tử dạng điểm như các điểm độc lập, điểm đường bình độ, và các điểm phụ khác

mà nó xấp xỉ một đường cong hoặc một bề mặt Ví dụ của các cạnh là các đường thẳng, đường cong và các đường tròn Ví dụ của các mặt là các mặt phẳng đa giác và

bề mặt của các đối tượng không gian khác như là mặt cong, mặt nón và mặt trụ Khối

là phần mở rộng thêm của thành phần mặt để biểu diễn các đặc trưng khối trong biểu diễn biên (B-rep) Chúng có lẽ bao gồm các hình hộp, các hình nón, hình trụ, và các kết hợp khác Để biểu diễn một đối tượng bởi mô hình này, một phần tử của B-rep cần phải có một thành phần dữ liệu hình học, một mã định danh của thành phần và mối quan hệ của nó với các phần tử khác Hình 2.7 chỉ ra một biểu diễn B-rep đơn giản của một đối tượng polygon Ở đây thành phần chính để cấu tạo nên đối tượng là kết hợp các nguyên tử, ví dụ: kết hợp các điểm tạo nên cạnh, kết hợp các cạnh tạo nên mặt phẳng

Hình 2.7: Biểu diễn B-rep của polygon phẳng [8]

Đối với các bề mặt không phẳng, các chức năng làm trơn bề mặt như các chức năng Bezier bề mặt hoặc các chức năng B-spline có thể được kết hợp trong việc tạo ra

bề mặt, và thường phải xử lý một khối lượng tính toán hình học phức tạp tương đối lớn Mặc dù B-rep là thông dụng trong CAD/CAM, bởi độ phức tạp tính toán và các phép toán Boolean không có hiệu quả, nên B-rep chỉ phù hợp với các đối tượng chính tắc và phẳng Trong GIS, việc sử dụng B-rep để biểu diễn các đối tượng không gian là rất hạn chế bởi các mô hình này cần được chỉnh sửa theo cách mà ba thành phần dữ liệu không gian cơ bản, ví dụ: dữ liệu hình học, dữ liệu thuộc tính và dữ liệu định danh đối tượng có thể được lưu trữ cùng với dữ liệu hình học liên quan Hình 2.8 giải thích tóm tắt của biểu diễn dựa trên bề mặt của các đối tượng 2D

Hình 2.8: Các loại biểu diễn mặt [8]

2.2.5 Mô hình mảng 3 chiều (3D Array)

Mảng 3 chiều có lẽ là cấu trúc dữ liệu đơn giản nhất trong biểu diễn trong không gian ba chiều Cấu trúc này dễ hiểu và dễ cài đặt, nhưng nó có lẽ không hiệu quả đối với một số công việc Ví dụ, nếu nhiều phần tử mảng có giá trị giống nhau, nó tạo một mảng đồ sộ (huge) nhưng thực tế không cần thiết đòi hỏi nhiều không gian lưu trữ và bộ nhớ trong lớn đến vậy Bởi vậy, nó ít phù hợp với việc biểu diễn các đối tượng với độ phân giải cao hơn bởi vì không gian lưu trữ và bộ nhớ trong tăng lên theo

độ phân giải cao hơn

Hình 2.9: Ví dụ biểu diễn mảng 3D biểu diễn đối tượng đặc [8]

Trong mảng 3D được chỉ ra trong hình 2.9, kích thước của các phần tử mảng là bằng nhau và mỗi phần tử mảng này chiếm giữ khối lượng không gian lưu trữ giống nhau mặc dù kích thước của điểm ảnh ba chiều có thể được xác định và được điều khiển bởi một chương trình Mảng 3D cần máy tính có tốc độ nhanh và đây là lý do tại sao loại biểu diễn này hiếm khi được sử dụng trong thực tế

Một cách tốt hơn nhiều để biểu diễn các đối tượng 3D bằng cách biến đổi kích thước của các điểm ảnh ba chiều, cách biểu diễn đó gọi là kỹ thuật octree

2.2.6 Mô hình Octree

Thuật ngữ “octree” muốn nói đến cấu trúc dữ liệu phân cấp định rõ sự chiếm chỗ (occupancy) của các vùng khối lập phương (cubic regions) của không gian đối tượng Những vùng khối lập phương này thường được gọi là các điểm ảnh ba chiều (voxels) Phương pháp biểu diễn này đã được sử dụng rộng rãi trong xử lý ảnh và đồ họa máy tính Nó là cấu trúc dữ liệu mô tả cách thức các đối tượng trong một cảnh (scene) được phân bố trong suốt không gian ba chiều được chiếm giữ bởi cảnh này Đơn giản nó là việc tạo ra không gian ba chiều của một cây tứ phân Về mặt khái niệm, vùng quan tâm (area of interest) được khép kín bởi một khối lập phương được biểu diễn bởi một điểm ảnh ba chiều Bởi vì trong cấu trúc cây tứ phân, octree là dựa trên phân hoạch đệ quy, và có thể được sử dụng để mã hóa các đối tượng 3D Trong phương pháp octree, mỗi node là điểm cuối hoặc có 8 con cháu Cây này chia không gian vũ trụ thành các khối lập phương mà nó là bên trong hay bên ngoài đối tượng Gốc của cây biểu diễn vũ trụ, một khối lập phương có độ dài các cạnh là 2n Khối lập phương này được chia làm tám khối lập phương đồng nhất (identical cubes), được gọi

là octants (một phần tám) với độ dài một cạnh là 2n-1 Mỗi octant được biểu diễn bởi một trong số tám con cháu (descendants) của gốc Nếu một octant là đặc một phần (partially full of solid), nó được gọi là “node xám”, và nó được chia thành tám khối lập phương đồng nhất có thể được biểu diễn bởi các con cháu của các octant vừa nói đến ở trên Quá trình này được lặp lại một cách đệ quy cho tới khi các octant đã đạt được (obtained) hoặc là hoàn toàn bên trong khối đặc (“các node đen”) hoặc là hoàn toàn bên ngoài nó (“các node trắng”) (hình 2.10) Kích thước octant tối thiểu (ví dụ một ngưỡng) xác định số lượng phân cấp (chia nhỏ) của nếu octant là một trong số các yếu

tố quan trọng trong xử lý octree Meagher (1982) cũng đã công bố một trong những ưu điểm của phương pháp octree là tính đơn giản của nó đối với phép toán Boolean và các thuật toán hiển thị (visualization rendering algorithms), nhưng nó có một trở ngại trong vấn đề không gian lưu trữ

Hình 2.10: Ví dụ biểu diễn Octree của đối tượng [8]

Để biểu diễn chi tiết các đối tượng, cần khối lượng lớn không gian lưu trữ và máy tính có năng lực xử lý lớn Một cách để khắc phục vấn đề này là sử dụng một mô hình octree được gọi là “octree véc tơ” đã được đưa ra bởi Samet và Jones Trong mô hình octree véc tơ, ba loại node octree được đưa ra có tên là node mặt, node cạnh và node đỉnh Các node thêm này được sử dụng để biểu diễn bề mặt đối tượng và giảm mức độ chia nhỏ (degree of subdivision) Bởi vậy, chúng cần ít không gian lưu trữ hơn Phương pháp octree rất hiệu quả trong phân tích không gian, các phép toán Boolean, và quản lý CSDL là do cấu trúc dữ liệu phân cấp của chúng

2.2.7 Mô hình CSG (Constructive Solid Geometry)

CSG biểu diễn đối tượng bằng cách kết hợp của nhiều nguyên tử đơn giản được định nghĩa trước được gọi là các nguyên tử hình học (hình 2.11) Ví dụ của các nguyên

tử này là khối cầu (spheres), khối lập phương (cubes), khối hình trụ (cylinders), khối hình nón (cones), khối hình chữ nhật đặc (ectangular solid), và chúng được kết hợp bằng việc sử dụng tập các phép toán Boolean và các chuyển đổi tuyến tính CSG nói chung thường được sử dụng trong mô hình hóa khối đặc như là CAD/CAM bởi việc tạo ra các đối tượng có thể được hoàn thành một cách tương hỗ với ngôn ngữ mô hình hóa đơn giản Biểu diễn này cũng được sử dụng rộng rãi trong mô hình hóa xây dựng

và kiến trúc bởi việc xây dựng các nguyên tử và các hình khối đặc thường đơn giản

Hình 2.11: Các đối tượng đơn giản từ các khối nguyên tử đơn giản CSG [8]

Các nguyên tử của CSG thường là các thể hiện thể tích mẫu theo quy tắc và có thể được kết hợp bằng việc sử dụng các biến đổi hình học và các phép toán đại số Bun Các biến đổi hình học này thường là việc tịnh tiến (translation), xoay (rotation) và phóng theo tỷ lệ (scaling), và các phép toán đại số Bun thường là việc kết hợp (union), giao nhau (intersection), và phép lấy phần bù (subtraction) (hoặc lấy phần giao - differencing) Không gian lưu trữ của CSG tăng khi mà số lượng các nguyên tử tăng CSG chỉ phù hợp với việc mô tả các đối tượng có hình vẽ chính tắc bởi các kết hợp nguyên tử của các đối tượng để tạo nên các thể hiện thể tích mẫu theo quy tắc cần nỗ lực tính toán đáng kể Vì vậy, CSG hiện được cho là không phù hợp với các đối tượng bất quy tắc

2.2.8 Mô hình 3D TIN (Tetrahedral network, TEN)

Về cơ bản, 3D TIN là sự mở rộng của 2D TIN, đôi khi được gọi là TEN (viết tắt của Tetrahedral Network) Một đối tượng được mô tả bởi các khối tứ diện (tetrahedra) liền với nhau như không chồng lắp Tương tự với 2D TIN, TEN có nhiều

ưu điểm trong thao tác, hiển thị và phân tích Một TEN được tạo nên từ một khối tứ diện (tetrahedra) bao gồm 4 đỉnh, 6 cạnh và 4 mặt Biểu diễn này đã được coi như là một cấu trúc dữ liệu hữu ích trong khoa học trái đất bởi các nhà nghiên cứu trong một vài thời điểm Nó có thể được tạo ra bằng cách sử dụng các kỹ thuật tương tự với 2D TIN Nếu chúng ta xây dựng 2D TIN từ xử lý 2D Voronoi, thì các xử lý 2D Voronoi

có thể được mở rộng sang 3D 3D TIN có thể nhận được từ các khối đa diện 3D Voronoi