Ứng dụng GIS trong quản lý quy hoạch xây dựng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN VĂN TUẤN ỨNG DỤNG GIS TRONG QUẢN LÝ QUY HOẠCH XÂY DỰNG LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội – 2011 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN VĂN TUẤN ỨNG DỤNG GIS TRONG QUẢN LÝ QUY HOẠCH XÂY DỰNG Ngành: Công nghệ thông tin Chuyên ngành: Hệ thống thông tin Mã số: 604805 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: Ts Nguyễn Ngọc Hóa Hà Nội – 2011 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN VĂN TUẤN ỨNG DỤNG GIS TRONG QUẢN LÝ QUY HOẠCH XÂY DỰNG LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội – 2011 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN VĂN TUẤN ỨNG DỤNG GIS TRONG QUẢN LÝ QUY HOẠCH XÂY DỰNG Ngành: Công nghệ thông tin Chuyên ngành: Hệ thống thông tin Mã số: 604805 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: Ts Nguyễn Ngọc Hóa Hà Nội – 2011 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết đạt luận văn sản phẩm riêng cá nhân tơi Những điều trình bày toàn nội dung luận văn, cá nhân tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu Tất tài liệu tham khảo có xuất xứ rõ ràng trích dẫn hợp pháp Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm theo quy định cho lời cam đoan Hà Nội, ngày 11 tháng năm 2011 Người cam đoan Nguyễn Văn Tuấn LỜI CẢM ƠN Trong trình học tập hồn thành luận văn tốt nghiệp, tơi nhận nhiều giúp đỡ, động viên từ thầy cơ, gia đình bạn bè Tơi muốn bày tỏ cảm ơn sâu sắc tới tất người Tôi xin bày tỏ cám ơn đặc biệt tới TS Nguyễn Ngọc Hóa, người định hướng cho lựa chọn đề tài, đưa nhận xét quý giá trực tiếp hướng dẫn tơi suốt q trình nghiên cứu hồn thành luận văn tốt nghiệp Tôi xin cảm ơn thầy cô khoa CNTT - Trường Đại học Công nghệ ĐHQG Hà Nội dạy bảo tận tình cho suốt khoảng thời gian học tập trường Tơi xin cảm ơn tồn thể bạn bè đồng nghiệp Trung tâm Cơ sở liệu Hệ thống thông tin – Trung tâm Viễn thám Quốc gia, đơn vị mà công tác, chia sẻ, giúp đỡ tạo điều kiện cho tơi tham gia khố học hồn thành khố luận Xin cảm ơn tất bạn bè giúp đỡ suốt q trình học tập cơng tác Cuối cùng, tơi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình mình, nguồn động viên cổ vũ lớn lao động lực giúp thành công công việc sống Hà Nội, ngày 11 tháng năm 2011 Nguyễn Văn Tuấn MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH MỞ ĐẦU Chương Tổng quan GIS GIS 3D 1.1 Khái niệm hệ thống thông tin địa lý 1.2 Các thành phần GIS 10 1.3 Các chức GIS 10 1.4 GIS 3D 13 1.4.1 Một số khái niệm 14 1.4.1.1 Mơ hình độ cao số 14 1.4.1.2 Mơ hình địa hình số 14 1.4.1.3 Mơ hình bề mặt số 14 1.4.2 Lưu trữ liệu 3D 14 1.4.3 Khái niệm cấp độ chi tiết 16 1.4.4 Biểu diễn đối tượng 3D 17 1.4.4.1 Điểm 17 1.4.4.2 Đường thẳng 17 1.4.4.3 Mặt phẳng 18 1.4.4.4 Đường cong 19 1.4.4.5 Hình khối 22 1.5 Một số ứng dụng mơ hình địa hình số 3D 23 1.5.1 Các ứng dụng việc giám sát phát tài nguyên 23 1.5.2 Các ứng dụng xây dựng sở hạ tầng viễn thông 23 1.5.3 Các ứng dụng lĩnh vực quốc phòng 24 1.6 Tình hình ứng dụng GIS Việt Nam 24 1.7 Kết luận 26 Chương Công tác quản lý quy hoạch xây dựng đô thị ứng dụng GIS 27 2.1 Thực trạng công tác quản lý quy hoạch xây dựng quản lý đô thị 27 2.1.1 Sơ đồ trình tự lập đồ án quy hoạch 29 2.1.2 Một số nhân tố tác động đến công tác lập đồ án quy hoạch 29 2.1.3 Các khó khăn cơng tác quản lý quy hoạch xây dựng đô thị 30 2.2 Ứng dụng GIS quản lý quy hoạch xây dựng đô thị 31 2.2.1 Quản lý nhà nước 32 2.2.2 Xây dựng sở liệu chuyên ngành 33 2.2.3 Tạo, lập báo cáo 33 2.2.4 Cải thiện chất lượng số lượng thông tin địa lý 34 2.3 Sự cần thiết GIS 3D quy hoạch quản lý đô thị 35 2.4 Kết luận 36 Chương Phát triển thử nghiệm hệ thống đánh giá kết thu 37 3.1 Yêu cầu đặt 37 3.2 Thiết kế hệ thống 39 3.2.1 Kiến trúc tổng thể hệ thống 39 3.2.2 Mơ hình phân cấp chức phân hệ GIS 3D 40 3.2.3 Sơ đồ luồng liệu 41 3.3 Xây dựng mơ hình 3D từ liệu 2D 42 3.3.1 Phép nội suy 42 3.3.2 Xây dựng bề mặt địa hình 3D 43 3.4 Các kết đạt 46 3.4.1 Xây dựng mô hình địa hình số 46 3.4.2 Xây dựng đồ trạng địa hình 3D thuộc tính từ 2D 47 3.4.3 Xây dựng mơ hình 3D hố vẽ AutoCAD 50 3.4.4 Quản lý kiểm sốt khơng gian 50 3.4.5 Quy hoạch kiến trúc cảnh quan 56 3.4.6 Phân vùng không gian 57 3.5 Kết luận 58 Chương Kết luận hướng phát triển 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO 61 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT GIS Geographical Information System Hệ thống thông tin địa lý 2D Two Dimension Hai chiều 3D Three Dimension Ba chiều Cơ sở liệu CSDL DBMS Database Management System Hệ quản trị Cơ sở liệu DEM Digital Elevation Model Mô hình độ cao số DTM Digital Terrain Model Mơ hình địa hình số DSM Digital Surface Model Mơ hình bề mặt số Environmental Systems Research Viện nghiên cứu hệ thống Institute môi trường ESRI Ủy ban nhân dân UBND DANH MỤC HÌNH Hình Các thành phần GIS 10 Hình Cấp độ chi tiết LoD đối tượng nhà, khối nhà 17 Hình Dạng tham số phương trình đường thẳng 17 Hình Vật thể ba chiều biểu diễn mơ hình khung nối kết 22 Hình Phân tích đa tiêu chí (khu vực nhiều tiếng ồn, vùng ngập lụt) 25 Hình Sử dụng GIS đánh giá mức độ tiếng ồn dự báo ô nhiễm nguồn nước 25 Hình Trình tự lập đồ án quy hoạch 29 Hình Kiến trúc tổng thể hệ thống Quản lý quy hoạch xây dựng 40 Hình Mơ hình phân cấp chức phân hệ GIS 3D 41 Hình 10 Luồng liệu phân hệ GIS 3D 41 Hình 11 Quy trình tạo liệu 3D từ liệu 2D 43 Hình 12 Bản đồ đường đồng mức thị xã Đồ Sơn 46 Hình 13 Bản đồ bề mặt địa hình 3D 47 Hình 14 Chồng xếp lớp đường đồng mức, đồ bề mặt lớp điểm 47 Hình 15 Tạo mơ hình 3D từ liệu 2D thuộc tính 48 Hình 16 Mơ hình 3D thể màu sắc theo thuộc tính 50 Hình 17 Chuyển đổi từ dạng liệu mặt sang 3D 50 Hình 18 Hình ảnh đánh dấu tầng cao cơng trình mặt (nếu cần chi tiết) 51 Hình 19 Hình ảnh đánh dấu tầng cao trung bình lơ đất (khơng cần chi tiết) 51 Hình 20 Thống kê cơng trình lơ đất tồn vẽ 52 Hình 21 Thống kê cơng trình loại đất 52 Hình 22 Thống kê mật độ xây dựng theo khu vực 53 Hình 23 Thống kê hạ tầng kỹ thuật 53 Hình 24 Thống kê để tìm đối tượng vi phạm vùng cấm 54 Hình 25 Kiểm tra vi phạm chiều cao phương pháp 3D (H>=50m) 54 Hình 26 Kiểm tra nhiều điều kiện phương pháp thống kê đánh dấu 55 Hình 27 Kiểm tra trường nhìn người tham gia giao thơng, với góc nhìn thơng thường T=30,D=45,N=120 phương pháp hình nón quan sát 55 Hình 28 Mơ hình khu đô thị 13-5 tuyến đường thiết kế 56 Hình 29 Khơng gian trống, xanh 57 Hình 30 Các khu thấp tầng 57 Hình 13 Bản đồ bề mặt địa hình 3D 3.4.2 Xây dựng đồ trạng địa hình 3D thuộc tính từ 2D Hình 14 Chồng xếp lớp đường đồng mức, đồ bề mặt lớp điểm + Chồng xếp lớp đường đồng mức, đồ bề mặt địa hình hình thành đồ đánh giá trạng tự nhiên với nhiều thuộc tính thời gian ngắn 47 - Hiện trạng sử dụng đất: + Gắn thuộc tính: chức sử dụng đất, diện tích, mật độ, tầng cao đến ô đất (mức độ chi tiết theo yêu cầu đồ án: quy hoạch chung, quy hoạch chi tiết 1/2000, quy hoạch chi tiết 1/500) + Mơ hình hóa dạng 3D có gắn thuộc tính Hình 15 Tạo mơ hình 3D từ liệu 2D thuộc tính - Hiện trạng kiến trúc cảnh quan: Liên kết thuộc tính, mơ hình hóa dạng 3D từ đồ 2D thuộc tính sau: + Di tích lịch sử, văn hố: kiến trúc, kinh tế, quy mơ tầng cao + Cơng trình cơng cộng: trung tâm hành chính trị, y tế, giáo dục, thương mại dịch vụ: kiến trúc đại, trung bình, xấu + Nhà + Công viên xanh tập trung: đảm bảo, không đảm bảo + Cây xanh đường phố: đảm bảo, không đảm bảo - Phân vùng theo giá trị đất: + Vùng sinh lời bán 48 + Vùng nâng cao chất lượng sống + Vùng thu hút đầu tư… - Đánh giá phân vùng: + Vùng cấm xây dựng: di tích lịch sử văn hố, đất quốc phịng an ninh + Vùng hạn chế xây dựng: o Khu dân cư lâu đời, truyền thống, mật độ cao o Các cơng trình cơng cộng cần mở rộng nâng cấp o Các khu công viên xanh cần nâng cấp o Các tuyến giao thông không đảm bảo o Hệ thống hồ điều hoà cần chỉnh trang + Vùng thuận lợi xây dựng: o Đất trống: đất nông nghiệp xen kẽ, suất thấp, đất hoang hoá, bãi bồi, vùng ngập nước o Các khu vực gây ô nhiễm o Các khu dân cư tạm tự phát o Có điểm nhấn tốt o Có khả gắn kết với đầu mối giao thơng 49 Hình 16 Mơ hình 3D thể màu sắc theo thuộc tính 3.4.3 Xây dựng mơ hình 3D hố vẽ AutoCAD Hình 17 Chuyển đổi từ dạng liệu mặt sang 3D Ngoài khả không thời gian công sức chuyển từ dạng 2D sang 3D, hệ thống có chế chuyển đổi mà tồn thuộc tính gốc Do đó, cần thiết thay đổi thông số như: tiêu, hệ số sử dụng đất, số tầng cao nhà, chiều cao nhà 3.4.4 Quản lý kiểm sốt khơng gian - Đánh dấu tầng cao: nhằm đánh giá mật độ xây dựng, sức chứa, quan sát, phân tích khơng gian 50 Hình 18 Hình ảnh đánh dấu tầng cao cơng trình mặt (nếu cần chi tiết) Hình 19 Hình ảnh đánh dấu tầng cao trung bình lơ đất (khơng cần chi tiết) - Thống kê theo vùng theo khu vực cần thiết: Khi nghiên cứu lập dự án quy hoạch quản lý phát triển đô thị, hai công tác luôn muốn nắm rõ thơng số kỹ thuật vùng nghiên cứu quản lý GIS cho phép quan sát thông tin nhiều cách mà khơng thời gian tính tốn 51 Hình 20 Thống kê cơng trình lơ đất tồn vẽ Hình 21 Thống kê cơng trình loại đất 52 Hình 22 Hình 23 Thống kê mật độ xây dựng theo khu vực Thống kê hạ tầng kỹ thuật 53 Hình 24 Thống kê để tìm đối tượng vi phạm vùng cấm Trên cách thống kê thường dùng nghiên cứu lập dự án quản lý phát triển thị Ngồi cách cịn có số cách thống kê khác phục vụ cho công tác nghiên cứu lập quy hoạch ta xét phần ví dụ - Kiểm tra khơng gian, cảnh quan Hình 25 Kiểm tra vi phạm chiều cao phương pháp 3D (H>=50m) 54 Hình 26 Kiểm tra nhiều điều kiện phương pháp thống kê đánh dấu - Lựa chọn địa điểm, tầm nhìn từ xây dựng cơng trình điểm nhấn quan trọng Hình 27 Kiểm tra trường nhìn người tham gia giao thơng, với góc nhìn thơng thường T=30,D=45,N=120 phương pháp hình nón quan sát 55 Phương pháp hình nón cịn sở quan trọng quản lý phát triển tầng cao cơng trình xây quanh quảng trường bờ hồ (lúc góc nhìn tuỳ chọn theo khống chế, tâm nhìn vùng trung tâm hướng nhìn vng góc với mặt đất 3.4.5 Quy hoạch kiến trúc cảnh quan Xây dựng mơ hình kiến trúc cảnh quan GIS (quá trình xây dựng hồn tồn tự động khơng xây dựng theo chiều cao thơng thường mà theo nhiều trường thuộc tính khác nhau) Hình 28 Mơ hình khu thị 13-5 tuyến đường thiết kế 56 3.4.6 Phân vùng khơng gian - Khơng gian trống, xanh Hình 29 Không gian trống, xanh - Các khu thấp tầng Hình 30 Các khu thấp tầng Khi nghiên cứu lập quy hoạch, không gian người thiết kế dựa yêu cầu, ý tưởng hình dung tuyến giao thơng, đóng 57 mở không gian tưởng tượng mà chưa thực trải Một cách thông thường, muốn thấy trước việc tuyến đường cần dùng chương trình 3Dmax lập lại mơ hình, trình chiếu video động Nhưng cách làm video công, thời gian, kinh phí lớn Đây khó khăn cho người thiết kế kiểm tra lại sản phẩm có đạt hiệu khơng gian hay không 3.5 Kết luận Hệ thống quản lý quy hoạch xây dựng đô thị phát triển với nhiều chức xử lý liệu, quản lý vẽ, đồ án quy hoạch… đáp ứng phần yêu cầu thực tế việc sử dụng GIS việc quản lý quy hoạch xây dựng địa phương Hệ thống có tính mở cao, dễ phát triển, cập nhật thân thiện với người sử dụng Hệ thống ứng dụng Sở quy hoạch xây dựng địa phương: Hải Phòng, Hà Nội bước đầu đánh giá đáp ứng yêu cầu công tác quản lý quy hoạch, giúp cho cơng tác quản lý nhanh chóng hiệu 58 Chương Kết luận hướng phát triển Những kết tìm hiểu, nghiên cứu luận văn yêu cầu quản lý nhà nước lĩnh vực quản lý quy hoạch đô thị thực trạng ứng dụng công nghệ thông tin cho thấy việc xây dựng hệ thống phần mềm hỗ trợ cho công tác quản lý quy hoạch xây dựng vô cần thiết Hệ thống không hệ thống hỗ trợ quản lý, công cụ đa mục tiêu riêng ngành quản lý mà cịn có tác động to lớn đến phát triển nhiều ngành kinh tế khác xây dựng, giao thông, nông nghiệp, quy hoạch đô thị, quản lý dân số, an ninh lương thực, bảo vệ trật tự an ninh… Sau kết mà luận văn thực được:  Tìm hiểu hệ thống thơng tin địa lý công nghệ GIS 3D  Trên sở phân tích thực trạng nhu cầu, luận văn xác định yêu cầu nội dung hệ thống thơng tin phục vụ cho toán quản lý quy hoạch xây dựng  Phân hệ quản lý quy hoạch xây dựng với GIS 3D phát triển luận văn tiến hành thử nghiệm Sở quy hoạch kiến trúc Hải Phòng với kết đạt sau: - Mô hình hóa 3D theo chuyên đề , thuô ̣c tính: trạng tự nhiên, trạng sử dụng đất, trạng kiến trúc cảnh quan - Chuyển đổi liệu từ 2D sang 3D - Chồ ng xế p các lớp chuyên đề để phân tích đánh giá trạng để phân định vùng thuận lợi, hạn chế, cấm xây dựng vùng đất có khả sinh lời… - Thiế t kế quy hoa ̣ch o Thể hiê ̣n các ý tưởng quy hoa ̣ch bằ ng ta ̣o các đố i tươ ̣ng vùng điể m, đường , o Nghiên cứu lập kịch cấu quy hoạch phân khu chức dạng 3D có gắn với thuộc tính o Xác định chi tiết khu chức theo kịch bản: tỷ lệ loại đất theo yêu cầu, kiểm tra hợp lý tính tốn bán kính phục vụ cơng trình cơng cộng, sức chứa, độ cao… 59 o Thiết kế, kiểm soát độ cao cơng trình điểm nhấn, xanh khơng gian mở, hiệu khơng gian điểm nhìn - Phân tić h và mô hin ̀ h hóa các phương án thiế t kế o Lâ ̣p bản đồ chuyên đề o Chồ ng xế p o Mô hiǹ h hóa 3D - Điề u chỉnh quy hoa ̣ch theo các phương án , qua đợt báo cáo tiếp thu nâng cao - Tổ ng hơ ̣p thuô ̣c tính các báo cá o theo yêu cầ u - Xuấ t bản vẽ GIS Autocad, 3D Max, Photoshop…để tinh chin ̉ h Hướng phát triển  Tiếp tục hoàn thiện phần mềm để đáp ứng nhu cầu khác công tác quản lý quy hoạch xây dựng đô thị  Phát triển công cụ xử lý liệu  Tiếp tục hoàn thiện đến xây dựng hệ thống qui trình chức chuẩn phần mềm quản lý quy hoạch xây dựng toàn ngành nhằm đảm bảo thống hệ thống thông tin quản lý xây dựng đô thị Việt Nam 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Bộ Xây Dựng (2006), Quy chuẩn tiêu chuẩn xây dựng, Hà Nội Bộ Xây Dựng (2008), Quy chuẩn xây dựng Việt Nam, quy hoạch xây dựng, Hà Nội Nguyễn Văn Ba (2003), Phân tích thiết kế hệ thống thông tin, Hà Nội Lê Thị Kim Dung (2007), Giáo trình kỹ thuật thị, Đà Nẵng Đặng Văn Đức (2001), Hệ thống thông tin địa lý, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội Tiếng Anh Environmental Systems Research Institute (2000), Modeling our word, ESRI Press; illustrated edition edition Esri Environmental Systems Research Institute (1999), Building a geodatabase, ESRI Press; illustrated edition Kang Tsung Chang (2007), Programming ArcObjects with VBA, CRC Press Michael Zeiler (2010), Modeling Our World: The ESRI Guide to Geodatabase Concepts, ESRI Press 10 Michael Zeiler (2001), Exploring ArcObjects, ESRI Press 11 P.A.Burrouch (1987), Principle of Geographycal Information System, Oxford 12 USGS (2005), Geographic Information System, U S Geological Survey 509 National Center, Reston, VA 20192, USA 61