Giải pháp trực quan hóa dữ liệu đô thị 3d theo chuẩn citygml trên nền web

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN THỊ THU HÀ GIẢI PHÁP TRỰC QUAN HÓA DỮ LIỆU ĐÔ THỊ 3D THEO CHUẨN CITYGML TRÊN NỀN WEB LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Hà Nội - 2016 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN THỊ THU HÀ GIẢI PHÁP TRỰC QUAN HĨA DỮ LIỆU ĐƠ THỊ 3D THEO CHUẨN CITYGML TRÊN NỀN WEB Ngành: Công nghệ Thông tin Chuyên ngành: Hệ thống Thông tin Mã số: 60480104 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN NGỌC HÓA Hà Nội – 2016 LỜI CÁM ƠN Luận văn thực trường Đại học Công Nghệ - Đại Học Quốc gia Hà Nội hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Ngọc Hóa Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy định hướng, giúp đỡ, quan tâm tạo điều kiện thuận lợi suốt q trình nghiên cứu để hồn thành luận văn Tôi xin gửi lời cảm ơn đến thầy cô Bộ môn Hệ thống thông tin Khoa công nghệ thông tin mang lại cho kiến thức vô quý giá bổ ích q trình học tập trường Tơi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình bạn bè quan tâm động viên giúp có thêm nghị lực để hồn thành luận văn Cuối xin gửi lời cảm ơn tới bạn học giúp đỡ suốt năm học tập vừa qua Do thời gian kiến thức có hạn nên luận văn khơng tránh khỏi thiếu sót Tơi mong nhận góp ý q báu thầy bạn Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng 11 năm 2016 Học viên Nguyễn Thị Thu Hà i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết đạt luận văn sản phẩm riêng cá nhân tơi hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Ngọc Hóa không chép Những điều trình bày tồn 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 tháng 11 năm 2016 Ngƣời cam đoan Nguyễn Thị Thu Hà ii MỤC LỤC LỜI CÁM ƠN i LỜI CAM ĐOAN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT v DANH MỤC CÁC BẢNG, HÌNH VẼ vi MỞ ĐẦU CHƢƠNG I TỔNG QUAN VỀ GIS 3D VÀ CHUẨN CITYGML 1.1 GIS 3D 1.1.1 Một số khái niệm 1.1.1.1 Mơ hình độ cao số 1.1.1.2 Mơ hình địa hình số .5 1.1.1.3 Mơ hình bề mặt số 1.1.2 Khái niệm cấp độ chi tiết .6 1.2 Tình hình ứng dụng 3D GIS Việt Nam .6 1.3 Khái quát ngôn ngữ tiêu chuẩn CityGML .8 1.3.1 Thông tin chung CityGML 1.3.2 Các lớp chuyên đề CityGML 1.3.3 Cấu trúc hình học quan hệ hình học đối tượng CityGML 1.3.4 Mơ hình cấp độ chi tiết đối tượng CityGML 10 1.3.5 Quan hệ cấu trúc hình học đối tượng CityGML .11 1.3.6 Mơ hình hiển thị bề mặt đối tượng 11 1.3.7 Mở rộng ngôn ngữ CityGML 11 1.3.8 Cấu trúc tệp ngôn ngữ CityGML 12 1.3.9 Các phần mềm công cụ sử dụng cho CityGML 14 1.4 Kết luận 15 iii CHƢƠNG II GIẢI PHÁP TRỰC QUAN HÓA DỮ LIỆU ĐƠ THỊ 3D 16 2.1 Mơ hình trực quan hóa liệu ba chiều thị 16 2.2 Quá trình chuẩn bị cung cấp liệu phía máy chủ 18 2.2.1 Quá trình chuẩn bị liệu .18 2.2.2 Quá trình cung cấp liệu 19 2.3 Quản lý biểu diễn mơ hình 3D phía máy khách 20 2.4 Kết luận 23 CHƢƠNG III XÂY DỰNG ỨNG DỤNG THỬ NGHIỆM 24 3.1 Yêu cầu toán 24 3.2 Lựa chọn giải pháp triển khai 25 3.3 Kết thử nghiệm đánh giá 29 3.3.1 Cài đặt thử nghiệm kết .29 3.3.2 Đánh giá 35 3.4 Kết luận 37 TÀI LIỆU THAM KHẢO 40 iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT GIS Geographical Information System Hệ thống thông tin địa lý 2D Two Dimension Hai chiều 3D Three Dimension Ba chiều XML eXtensible MarkUp Languague Ngôn ngữ đánh dấu mở rộng GML Geographic MarkUp Language Tiêu chuẩn ngôn ngữ đánh dấu địa lý OGC OpenGIS Consortium Hiệp hội OpenGIS ISO TC211 Internation Standard Organisation Ủy ban kỹ thuật Tổ chức Technical Committee 211 Tiêu chuẩn Quốc tế 211 INSPIRE Infrastructure for Spatial Information Cơ sở hạ tầng thông tin không in the European Committee gian Ủy ban châu Âu IFC Industry Foundation Classes (IFC) Chuẩn mơ hình liệu quốc tế dùng để trao đổi liệu LoD Level of Detail Cấp độ chị tiết DEM Digital Elevation Model Mơ hình độ cao số DTM Digital Terrain Model Mơ hình địa hình số DSM Digital Surface Model Mơ hình bề mặt số Cơ sở liệu CSDL GPU Đơn vị xử lý đồ hoạ Graphics Processing Unit v DANH MỤC CÁC BẢNG, HÌNH VẼ Bảng 1.1 Các phần mềm cơng cụ sử dụng cho CityGML[2] 15 Hình 1.1 Cấp độ chi tiết LoD đối tượng nhà, khối nhà Hình 1.2 Các lớp chuyên đề CityGML .9 Hình 1.3 Hai đối tượng hình khối nhà S1 nhà S2 có chung bề mặt tiếp xúc Su1 lược đồ UML mô tả hai đối tượng nhà quan hệ hai đối tượng 10 Hình 1.4 Các cấp độ chi tiết từ LoD0, LoD1, LoD2, LoD3 LoD4 đối tượng nhà .10 Hình 1.5 Quan hệ hình học cấu trúc Xlink đối tượng CityGML 11 Hình 1.6 Mở rộng ngơn ngữ CityGMl 12 Hình 2.1 Mơ hình trực quan hóa hiển thị liệu 3D thị .16 Hình 2.2 Các tệp CityGML chuyển đổi sang định dạng SQL import vào sở liệu 18 Hình 2.3 Bộ chuyển đổi dùng để trích xuất liệu 18 Hình 2.4 Sơ đồ trình cung cấp liệu .19 Hình 2.5 Sơ đồ cấu trúc 3DCity Web Map 20 Hình 2.6 Dựa vào vị trí khung nhìn, lớp quản lý kết cấu liên quan lập lịch tải 21 Hình 3.1 Giao diện 3DCityDB-Importer 27 Hình 3.2 Giao diện 3DcityDB–Exporter 28 Hình 3.3 Giao diện Database 3DcityDB 28 Hình 3.4 Hình ảnh tồn cảnh 2D thành phố 30 Hình 3.5 Hình ảnh tồn cảnh 3D thành phố 30 Hình 3.6 Hình ảnh 3D thành phố chế độ NYC Buildings .31 Hình 3.7 Hình ảnh 3D thành phốở chế độ NYC Streets 31 Hình 3.8 Hình ảnh 3D thành phố chế độ NYC Lots 32 Hình 3.9 Hình ảnh 3D (Lod 2) thành phố New York hiển thị chế độ NYC Lots, NYC Buildings, NYC Streets 33 vi Hình 3.10 Các Terrain, Imagery cung cấp để lựa chọn 33 Hình 3.11 Hình ảnh 3D tịa nhà Flatiron Building 33 Hình 3.12 Chi tiết thơng số nhà Flatiron Building .34 Hình 3.13 Hình ảnh chọn chế độ biểu diễn 2D 3D .34 Hình 3.14 Tồn cảnh thành phố nhìn từ cao .35 Hình 3.15 Phân tích profile cho thấy tốn nhiều hiệu cho việc quản lý xử lý liệu 3D .36 Hình 3.16.Phần lớn thời gian quản lý tải liệu ajax (Phần Scripting Other) .36 Hình 3.17 Phân tích chi tiết phần .37 Hình 3.18 Kết phân tích cho thấy GPU xử lý nhiều thời điểm ban đâu 37 Hình 3.19 Khả render đạt gần 30fpt (khung hình giây) 38 vii MỞ ĐẦU Với phát triển vượt bậc công nghệ, dựa vào ưu GIS so với công nghệ khác khả gắn kết thông tin kể yếu tố không gian phục vụ phân tích truy cập theo yêu cầu, GIS giới quản lý đối tượng với hệ không gian ba chiều (3D) GIS 3D tạo sản phẩm số sinh động trực quan, mơ xác đối tượng, chia sẻ thơng tin dễ dàng nhanh chóng Vì ưu điểm mà GIS 3D sử dụng rộng rãi lĩnh vực giới Đặc biệt quản lý thị, ví dụ lớp đối tượng quản lý phân định rõ nét, biểu diễn hai đường dây ngầm cao Nếu quản lý đối tượng GIS 2D bị trùng đước biểu diễn quản lý hệ thống GIS 3D phân biệt rõ hai đường khác chúng phản ánh độ cao khác Tóm lại, ứng dụng công nghệ GIS 3D phong phú mang lại hiệu cao Công nghệ mở khả xây dựng mơ hình thị 3D cách đại, nhanh chóng, sinh động xác Để thơng tin địa lý đưa lên mạng Internet cách dễ dàng linh động, tiêu chuẩn cấu trúc liệu thông tin địa lý nghiên cứu ban hành tổ chức OpenGIS Consortium (OGC), Internation Standard Organisation Technical Committee 211 (ISO TC211), Infrastructure for Spatial Information in the European Committee (INSPIRE) Trên sở hợp tác tổ chức nói trên, tiêu chuẩn ngôn ngữ đánh dấu địa lý – Geographic MarkUp Language (GML) sử dụng làm tiêu chuẩn cho trao đổi thông tin địa lý hệ thống khác thức cơng nhận chuẩn quốc tế với tên gọi ISO19136 Mơ hình thị 3D xây dựng chuẩn liệu khác Keyholes Markup Language (KML), Industry Foundation Classes (IFC) and CityGML Trong chuẩn này, CityGML chuẩn dạng ngôn ngữ eXtensible MarkUp Language xây dựng thành tiêu chuẩn quốc tế Open GIS Consortium (OGC) đề xuất với mục đích thành lập trao đổi liệu không gian đô thị chiều Trong CityGML, đối tượng địa lý 3D đô thị định Sau bạn dùng cơng cụ 3DCityDB-Importer-Exporter để import liệu vào cở liệu theo hướng dẫn từ tài liệu kèm hãng Hình 3.1 Giao diện 3DCityDB-Importer ● Trích o xuất tập tin chứa liệu 3D đô thị Sử dụng công cụ 3DCityDB-Importer-Exporter để export liệu tập tin KML, KMZ JSON Đây tập tin chứa thông tin 3D đối tượng 27 đô thị Trong khuôn khổ luận văn này, sử dụng ba loại đối tượng là: nhà, đường phố lơ đất Hình 3.2 Giao diện 3DcityDB–Exporter Hình 3.3 Giao diện Database 3DcityDB 28 ● Cài o đặt 3D-web-map-client Vào thư mục “D:\3D_GIS\3dcitydb\3d-web-map-client” 3DCityDB-Importer-Exporter tạo q trình cài đặt, thấy có sẵn tập tin nén, có 3DCity web map o Giải nén tập tin vào thư mục “D:\3D_GIS\ms4w\apps\3dmap” o Sau tạo tập tin “3dmap.conf” để cấu hình cho Apache vào thư mục “D:\3D_GIS\ms4w\httpd.d” có nội dung sau: Alias /3dmap/ "D:/3D_GIS/ms4w/apps/3dmap/" AllowOverride None Options Indexes FollowSymLinks Multiviews Order allow,deny Allow from all o Restart apache tập tin “D:\3D_GIS\ms4w\apache-restart.bat” ● Tiến hành viết mã cho phần chức 3DCity Web map máy chủ thông ti n 3.3 Kết thử nghiệm đánh giá 3.3.1 C i đặt thử nghiệm v k t Tru cập địa chỉ: http://localhost:8 / dmap/ ➢ Kết chụp lại phần demo hình ảnh 3D thành phố New York  Hình ảnh trỏ đến tồn cảnh 2D thành phố New York 29 Hình 3.4 Hình ảnh tồn cảnh 2D c a thành phố  Hình ảnh trỏ đến tồn cảnh 3D (Lod 2) thành phố New York Hình 3.5 Hình ảnh tồn cảnh 3D c a thành phố 30  Hình ảnh 3D (Lod 2) thành phố New York hiển thị chế độ NYC Buildings Hình 3.6 Hình ảnh 3D c a thành phố ch độ NYC Buildings  Hình ảnh 3D (Lod 2) thành phố New York hiển thị chế độ NYC Streets Hình 3.7 Hình ảnh 3D c a thành phố ch độ NYC Streets 31  Hình ảnh 3D (Lod 2) thành phố New York hiển thị chế độ NYC Lots Hình 3.8 Hình ảnh 3D c a thành phố ch độ NYC Lots  Hình ảnh 3D (Lod 2) thành phố New York hiển thị chế độ NYC Lots, NYC Buildings, NYC Streets 32 Hình 3.9 Hình ảnh 3D (Lod 2) c a thành phố New York hi n thị ch độ NYC Lots, NYC Buildings, NYC Streets  Các Terrain, Imagery cung cấp để lựa chọn Hình 3.10 C c Terrain Imager đ c cung c p đ l a ch n  Hình ảnh 3D tịa nhà Flatiron Building v i số thơng tin cụ th đ c Việt hóa Hình 3.11 Hình ảnh 3D tịa nhà Flatiron Building 33  Tòa nhà Flatiron Building v i số thơng tin cụ th đ c Việt hóa Hình 3.12 Chi ti t thơng số tồ nhà Flatiron Building  Hình ảnh thành phố ch n ch độ 2D 3D Hình 3.13 ình ảnh ch n ch độ bi u diễn D v 34 D  Hình ảnh thành phố khi nhìn t cao xuống Hình 3.14 To n cảnh th nh phố nhìn t tr n cao 3.3.2 Đánh giá Quá trình thực nghiệm cho kết ứng dụng biểu diễn mơ hình trực quan hố liệu tảng Web So với hệ thống cài đặt phần mềm có ưu điểm nhược điểm riêng: Ƣu điểm: ● Sử dụng tảng Web nên máy khách dễ dàng truy cập mà khơng địi hỏi cài đặt thêm nhiều phần mềm ● Dễ dàng triển khai cho nhiều máy, chi phí triển khai thấp ● Dữ liệu tập trung nên dễ quản lý, cập nhật ● Giải pháp trực quan hoá đô thị 3D theo chuẩn CityGML ưu luận văn làm có điểm so với đề tài GIS trước Nhƣợc điểm: ● Hiệu cịn phụ thuộc nhiều vào trình duyệt ● u cầu bảo mật với thông tin nhạy cảm (thông tin quy hoạch, thông tin tài nguyên mật quốc gia, ) 35 Hiệu năng: Thử nghiệm đánh giá hiệu máy tính có cấu hình: Vi xử lý Core i3 2350M 2.3GHz (chip core i hệ thứ 2), RAM 4GB, cạc đồ hoạ kèm bo mạch chủ, chạy hệ điều hành Windown 10 Hình 3.15 Phân tích profile cho th tốn nhiều hiệu cho việc quản lý v lý liệu D Hình 3.16.Phần l n thời gian l quản lý v tải liệu aja (Phần cripting v Other) 36 Hình 3.17 Phân tích chi ti t c c phần Hình 3.18 K t phân tích cho th PU lý nhiều thời m ban đâu 37 Hình 3.19 Khả render đạt gần fpt (khung hình tr n giâ ) Từ kết phân tích hiệu trên, ta thấy hệ thống làm việc tốt cấu hình máy tính khơng q cao Điều chứng tỏ tính khả thi việc triển khai mơ hình trực quan hố thị 3D tảng Web 3.4 Kết luận Những kết tìm hiểu, nghiên cứu luận văn giải pháp trực quan hoá liệu đô thị 3D theo chuẩn CityGML Web 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 đô thị 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 tổng quan hệ thông tin địa lý chiều 3D-GIS, trọng nghiên cứu tìm hiểu chuẩn mơ hình đô thị 3D CityGML 38 Khảo sát, đánh giá số tảng mã mở hỗ trợ CityGML, từ xây dựng giải pháp trực quan hố liệu đô thị 3D Web thông qua số giải pháp mã mở Thực nghiệm đánh giá giải pháp dựa vào tảng mã mở 3DCityDB kết hợp Cesium sử dụng liệu 3D đô thị NewYork công bố trung tâm liệu mở Mỹ (do việc xây dựng liệu 3D Hà Nội cần có đầu tư lớn thời gian lẫn kinh phí nên chúng tơi chưa thể thử nghiệm Hà Nội) * Hƣớng phát triển: Trong thực tế liệu thông tin không gian chuẩn liệu đóng vai trò quan trọng Việc xây dựng liệu chuẩn tạo điều kiện cho công tác quản lý sử dụng hữu hiệu liệu sau Đối với chuẩn liệu 3D, Việt nam chưa nghiên cứu nhiều nên việc nghiên cứu áp dụng chuẩn liệu 3D CityGML chuẩn liệu 3D khác đóng góp vào cơng tác chuẩn hóa liệu, ứng dụng mơ hình liệu 3D nhiều lĩnh vực khác nhau, đặc biệt ứng dụng đô thị Ngôn ngữ chuẩn hóa CityGML xây dựng tảng ngơn ngữ chuẩn hóa liệu địa lý GML (về chất sử dụng ngôn ngữ đánh dấu mở rộng XML) nên dễ dàng tìm hiểu sử dụng CityGML có cấu trúc ngơn ngữ rõ ràng, xây dựng file liệu cho phép sử dụng nhiều phần mềm để hiển thị phân tích mơ hình 3D, đặc biệt khu vực thị Thực nghiệm báo cho thấy khả mơ hình hóa liệu 3D theo khuôn dạng CityGML hiển thị liệu 3D theo góc độ khác Để phát triển ứng dụng liệu không gian liệu trắc địa 3D đô thị Việt nam, cần tiếp tục hướng nghiên cứu ứng dụng mơ hình liệu 3D CityGML xây dựng thuật tốn phân tích liệu 3D đô thị theo chuẩn CityGML chuẩn 3D khác tương lai 39 TÀI LIỆU THAM KHẢO Ti ng Việt [1] Nguyễn Văn Tuấn (2011), Ứng dụng GIS quản lí quy hoạch xây dựng, Luận văn cao học, Trường ĐHCN-ĐHQGHN [2] Phạm Thanh Thạo cộng (2013), Thử nghiệm xây dựng mơ hình thị 3D ngôn ngữ tiêu chuẩn CityGML Phần mềm mã nguồn mở, Tạp chí KTKT Mỏ - Địa chất số 44/10 – 2013, tr 49-56 [3] Nguyễn Ngọc Vũ (2010), Mô hình hóa đồ ba chiều, Luận văn cao học, Trường ĐHCN-ĐHQGHN Ti ng Anh [4] Paper1033_Urban_Data_Visualisation_in_a_web_browser.pdf [5] Thomas H Kolbe, 2009 Representing and Exchanging 3D City Models with CityGML, in Proceedings of the 3rd International Workshop on 3D GeoInformation, Seoul, Korea [6] Gerhard Gröger, Thomas H Kolbe, and Angela Czerwinski, 2007 Candidate OpenGIS CityGML Implementation Specification, Open Geospatial Consortium Inc, 07-062 Internet [7].http://www.baoxaydung.com.vn/news/vn/quy-hoach-kien-truc/cong-nghe-so-vagis-trong-quy-hoach-va-quan-ly-do-thi.html [8].http://www.vusta.vn/vi/news/Thong-tin-Su-kien-Thanh-tuu-KH-CN/Quan-lyha-tang-do-thi-bang-cong-nghe-3D-GIS-City-49652.html [9] https://www.gis.bgu.tum.de/en/projects/3dcitydb/ [10].https://cesiumjs.org/NewYork/index.html?view=74.01881302800248%2C40.69114333714821%2C753.2406554180401%2C21 27879878293835%2C-21.343905508724625%2C0.0716951918898415 [11] https://github.com/UDST/vizicities [12] https://github.com/OSMBuildings/OSMBuildings [13] http://demo.f4map.com [14] http://www1.nyc.gov/site/doitt/initiatives/3d-building.page 40 [15] https://portal.opengeospatial.org/files/?artifact_id=47842 [16] https://github.com/3dcitydb/3dcitydb-web-map [17] http://3dcitydb.org [18].http://www.3dcitydb.net/3dcitydb/fileadmin/mydata/Cesium_NYC_Demo/City GML/NYC_Flatiron_Buildings_Streets_Lots_20150907.zip [19] https://en.wikipedia.org/wiki/Flatiron_Building [20] https://cesiumjs.org/ [21] http://ms4w.com/ 41 ... trợ CityGML, từ xây dựng giải pháp trực quan hóa liệu đô thị 3D Web Chương III - Thực nghiệm đánh giá giải pháp dựa vào số nguồn liệu mở 3D số đô thị giới CHƢƠNG I TỔNG QUAN VỀ GIS 3D VÀ CHUẨN CITYGML. .. GIẢI PHÁP TRỰC QUAN HĨA DỮ LIỆU ĐƠ THỊ 3D 2.1 Mơ hình trực quan hóa liệu ba chiều thị Từ phân tích kỹ thuật vẽ đồ thể trực quan hóa liệu, kết hợp ngữ cảnh yêu cầu hệ thống, đưa mơ hình trực quan. .. mơ hình đô thị 3D CityGML 38 Khảo sát, đánh giá số tảng mã mở hỗ trợ CityGML, từ xây dựng giải pháp trực quan hố liệu đô thị 3D Web thông qua số giải pháp mã mở Thực nghiệm đánh giá giải pháp dựa