Ứng dụng công nghệ gis trong quản lý dữ liệu quy hoạch chung thành phố hoà bình

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT -W X - NGUYỄN VĂN HIỀN ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GIS TRONG QUẢN LÝ CÁC DỮ LIỆU QUY HOẠCH CHUNG THÀNH PHỐ HÒA BÌNH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT NGUYỄN VĂN HIỀN ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GIS TRONG QUẢN LÝ CÁC DỮ LIỆU QUY HOẠCH CHUNG THÀNH PHỐ HỊA BÌNH Chun ngành: Mã số : Kỹ thuật trắc địa 60.52.85 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS ĐÀO QUANG HIẾU HÀ NỘI - 2012 Lời cam đoan Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết luận văn trung thực, có xuất xứ rõ ràng chưa cơng bố cơng trình khác Tác giả luận văn Nguyễn Văn Hiền MỤC LỤC Trang MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ MINH HỌA MỞ ĐẦU Chương 11 TỔNG QUAN VỀ HÊ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ VÀ CƠ SỞ DỮ LIỆU THÔNG TIN ĐỊA LÝ 11 1.1 Khái niệm hệ thống thông tin địa lý 11 1.1.1 Khái niệm chung 11 1.1.2 Thông tin không gian, đồ Hệ thống thông tin địa lý 12 1.1.3 Các thành phần hệ thông tin địa lý 14 1.2 Dữ liệu hệ thống thông tin địa lý (GIS) 17 1.2.1 Dữ liệu không gian 17 1.2.2 Dữ liệu thuộc tính 21 1.2.3 tính Mối liên kết liệu liệu không gian liệu thuộc 22 1.2.4 Các loại thông tin hệ thông tin địa lý 23 1.3 Tổ chức hệ thống thông tin địa lý 24 1.4 Một số ứng dụng hệ thống thông tin địa lý 27 1.5 Khái niệm sở liệu hệ thống thông tin địa lý 28 1.5.1 Khái niệm chung CSDL 28 1.5.2 Các mơ hình sở liệu 29 1.5.3 Cấu trúc CSDL hệ thống thông tin địa lý 32 Chương ỨNG DỤNG GIS TRONG CÔNG TÁC QUY HOẠCH VÀ QUẢN LÝ ĐÔ THỊ 36 2.1 Khái niệm quy hoạch 36 2.1.1 Quy hoạch vùng 36 2.1.2 Quy hoạch chung đô thị 36 2.1.3 Quy hoạch chi tiết 37 2.2 Các lớp thông tin cần thiết cho quy hoạch đô thị 37 2.2.1 Phân loại thông tin quy hoạch quản lý đô thị theo cách truy nhập liệu 38 2.2.2 Phân loại thông tin theo nội dung liệu 40 2.3 Hệ thống thông tin địa lý quy hoạch đô thị 45 2.3.1 Những ưu điểm hệ thống thông tin địa lý với quy hoạch quản lý đô thị 46 2.3.2 Tổng quan nghiên cứu ứng dụng hệ thống thông tin địa lý cho quy hoạch 47 2.4 Thiết kế hệ thống thông tin địa lý quy hoạch quản lý đô thị 48 2.4.1 Thông tin quy hoạch đô thị 48 2.4.2 Thiết kế hệ thống sở liệu thông tin quy hoạch đô thị 48 2.4.3 Thiết kế hệ quản trị sở liệu thông tin quy hoạch đô thị 50 2.4.4 Phân tích khơng gian 53 2.5 Một số khả ứng dụng hệ thống thông tin địa lý cho quy hoạch quản lý đô thị nước ta 54 2.5.1 Mơ hình hóa q trình phát triển thị 54 2.5.2 Phương pháp lựa chọn đất đai quy hoạch đô thị sở đánh giá đất đai xây dựng theo nhu cầu riêng biệt 56 2.6 Một số vấn đề xử lý thông tin không gian quy hoạch 59 2.6.1 Mối liên kết liệu 60 2.6.2 Chồng xếp nhiều lớp thông tin 60 2.6.3 Phân tích quan hệ gần gũi 64 2.6.4 Phân tích mối quan hệ khơng gian (spetial correlation analysis) .65 2.7 Phân tích lựa chọn phương án kỹ thuật công nghệ 68 2.7.1 Kiến trúc chung hệ thống yêu cầu kỹ thuật 68 Chương ỨNG DỤNG MƠ HÌNH CƠ SỞ DỮ LIỆU THÔNG TIN ĐỊA LÝ PHỤC VỤ DỰ ÁN QUY HOẠCH CHUNG TP HỊA BÌNH 72 3.1 Sơ lược lịch sử trình phát triển thị TP Hồ Bình .72 3.2 Các điều kiện tự nhiên thành phố Hồ Bình 794 3.2.1 Vị trí địa lý: 79 3.2.2 Đặc điểm địa hình: 79 3.2.3 Đặc điểm khí hậu: 75 3.2.4 Đặc điểm thuỷ văn: 72 3.2.5 Đặc điểm địa chất cơng trình, đc thuỷ văn địa chấn: 72 3.3 Khái qt thành phố Hịa Bình: 74 3.4 Mục tiêu nhiệm vụ quy hoạch quản lý liệu GIS: 74 3.4.1 Mục tiêu quy hoạch quản lý liệu GIS: 79 3.4.2 Nhiệm vụ quy hoạch quản lý liệu GIS: 74 3.4.3 Phạm vi quy hoạch chung quản lý liệu GIS: 80 3.4.4 Lựa chọn phương án kỹ thuật công nghệ 81 3.5 Mơ hình sở liệu thông tin địa lý 88 3.6 Thành lập sở liệu thông tin địa lý: 89 3.6.1 Xây dựng liệu: 90 3.6.2 Chuyển đổi liệu 96 3.7 Một số ứng dụng Hệ thống TTĐL phục vụ quy hoạch 97 3.7.1 Bản đồ độ dốc khu vực TP.Hịa Bình: 97 3.7.2 Lựa chọn khu vực có độ dốc phù hợp 98 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 102 TÀI LIỆU THAM KHẢO 103 DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ MINH HỌA Hình 1.1 Thơng tin khơng gian giới thực Nguồn [3] 13 Hình 1.2 Các thành phần Hệ thống thông tin địa lý 14 Hình 1.3 Hệ thống phần cứng hệ thống thông tin địa lý 15 Hình 1.4 Cấu trúc liệu kiểu Raster 18 Hình 1.5 Điểm, đường, đa giác 18 Hình 1.6 Cấu trúc liệu kiểu Vector 19 Hình 1.7 Toạ độ điểm, đường, đa giác 20 Hình 1.8 Chuyển đổi liệu Raster sang liệu Vector ngược lại 21 Hình 1.9 Liên kết liệu khơng gian liệu thuộc tính 22 Hình 1.10 Mơ hình sở liệu phân cấp (Nguồn Phạm Vọng Thành Phạm Trọng Mạnh 1999) 30 Hình 1.11 Biểu diễn đồ A mơ hình lưới (Nguồn : Phạm Trọng Mạnh, Phạm Vọng Thành, 1999) 30 Hình 1.12 Biểu diễn đồ A mơ hình quan hệ (Nguồn : Phạm Trọng Mạnh, Phạm Vọng Thành, 1999) 31 Hình 2.1 Hệ thống thơng tin địa lý phục vụ quy hoạch thị 45 Hình 2.2 Mơ hình sở liệu thơng tin địa lý phục vụ quy hoạch 46 Hình 2.3 Hệ thống tiêu chí sở liệu quy hoạch quản lý thị 50 Hình 2.4 Hệ quản trị sở liệu quản lý thị 51 Hình 2.5 Mô quan hệ hai lớp thông tin thuật tốn Boolean 61 Hình 2.6 Quan hệ logic lớp thông tin véctơ 61 Hình 2.7 Phép giao cắt thuật tốn logic 62 Hình 2.8 Kết phép tính đồng (Identity) 63 Hình 2.9 Sơ đồ hàm NEAR tính khoảng cách điểm tới đường gần 64 Hình 2.10 Tính khoảng cách điểm 64 Hình 2.11 Tính tốn khoảng cách vị trí khác 67 Hình 2.12 Kiến trúc chung mơ hình hệ thống GIS 3D phục vụ công tác quản lý quy hoạch hạ tầng kỹ thuật 68 Hình 3.1 Vị trí tỉnh Hồ Bình lãnh thổ Việt Nam 73 Hình 3.2 Sơ đồ vị trí, mối liên hệ vùng 74 Hình 3.3 Địa giới hành thành phố Hịa Bình 80 Hình 3.4 Mơ hình kiến trúc SQL Server 2008 84 Hình 3.5 SQL Server2008 cho phát triển trang Web 85 Hình 3.6 Thành phần ArcEngine 87 Hình 3.7 ArcEngine Runtime 88 Hình 3.8 Mơ hình sở liệu phục vụ cho Khu quy hoạch TP.Hịa Bình 88 Hình 3.9 Lược đồ UML mơ tả mơ hình sở liệu TTĐLphục vụ quy hoạch 89 Hình 3.10 Quản lý liệu Geodatabase ArcCatalog 92 Hình 3.11 Lớp thơng tin sử dụng đất 93 Hình 3.12 Lớp thủy hệ 93 Hình 3.13 Hệ thống đường giao thơng 94 Hình 3.14 Lớp thông tin xây dựng – Hệ thống cấp nước 94 Hình 3.15 Bản đồ quy hoạch TP.Hịa Bình 95 Hình 3.16 Cơng cụ thành lập DEM 96 Hình 3.17 Bản đồ DEM khu vực TP.Hịa Bình 96 Hình 3.18 Bản đồ độ dốc khu quy hoạch TP.Hịa Bình 98 Hình 3.19 Phân ngưỡng giá trị độ dốc 99 Hình 3.20 Bản đồ độ dốc sau phân ngưỡng 99 Hình 3.21 Đất dự trữ định dạng raster 100 Hình 3.22 Bản đồ vùng đất trữ, độ dốc địa hình xuất dạng raster 101 MỞ ĐẦU Vấn đề cấp thiết đề tài Thành phố Hịa Bình thủ phủ tỉnh Hịa Bình, có lợi đặc biệt quan trọng khơng tỉnh Hịa Bình mà cịn có ý nghĩa vùng Tây Bắc Tổ quốc Vì vậy, cơng tác quy hoạch xây dựng thành phố Hịa Bình trở thành thị văn minh phát triển bền vững mục tiêu quan trọng lâu dài Để đảm bảo cho phát triển hạ tầng đồng sở đắn bền vững, cơng tác quy hoạch đóng vai trị quan trọng Hiện tỉnh Hịa Bình đạo triển khai xây dựng quy hoạch chung phạm vi tỉnh quy hoạch chi tiết phạm vi huyện thị Để thực nhiệm vụ trên, nhiều quan quản lý nghiên cứu thu thập khối lượng lớn thông tin, số liệu điều tra khảo sát quy hoạch hạ tầng, tài nguyên, đất đai, khoáng sản, dân số, thống kê ngập lụt Tuy việc phân loại, hệ thống hóa tài liệu có để thuận lợi cho việc khai thác sử dụng cịn nhiều khó khăn tính phân tán thiếu hệ thống chúng Như nhu cầu có phương pháp phương tiện quản lý loại liệu, thông tin tài nguyên trở nên cấp bách cần thiết, đời “Công nghệ Hệ thống tin địa lý” phù hợp cấp thiết với nhu cầu thực tế đặt Việc tổ chức xây dựng hệ thống thông tin quản lý quy hoạch hạ tầng kỹ thuật đô thị sở ứng dụng công nghệ GIS (Geographic Information System) cho thành phố Hịa Bình địi cần thiết cấp bách Là thành viên trực tiếp tham gia dự án quy hoạch thành phố Hòa Bình nên Tơi chọn đề tài: “ Ứng dụng cơng nghệ GIS quản lý liệu quy hoạch chung thành phố Hịa Bình” làm đối tượng nhiên cứu luận văn Mục đích nghiên cứu đề tài Mục đích nghiên cứu đề tài xây dựng hệ thống quản lý quy hoạch xây dựng hạ tầng kỹ thuật theo mơ hình liệu số tảng công nghệ GIS nhằm đảm bảo cho yêu cầu sau: Nâng cao lực quản lý nhà nước công tác xây dựng đô thị; Đáp ứng nhu cầu khai thác thông tin quy hoạch xây dựng quan nhà nước, tổ chức xã hội nhân dân; Góp phần đẩy mạnh cải cách hành cơng nghệ GIS; Tăng cường tính thống thơng tin liệu cấp lĩnh vực quản lý quy hoạch đô thị quản lý sở hạ tầng; Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu đề tài khảo sát sử dụng tiện ích hệ thống thơng tin địa lý nói chung phần mềm Arcgis nói riêng cơng tác quy hoạch đô thị Phạm vi nghiên cứu thiết lập sở liệu hệ thống thông tin địa lý phục vụ công tác quy hoạch chung thành phố Hịa Bình Nội dung nghiên của đề tài Nội dung nghiên cứu luận văn tập trung gồm vấn đề sau: + Giới thiệu hệ thống thơng tin địa lý; + Giới thiệu tính tiện ích phần mềm Arcgis công tác quy hoạch đô thị; + Ứng dụng phần mềm Arcgis vào thiết lập sở liệu phục vụ công tác quản lý quy hoạch chung thành phố Hịa Bình; Xây dựng sở liệu quy hoạch, hạ tầng kỹ thuật lưu trữ tồn trạng thị thành phố Hịa Bình Dữ liệu xây dựng tồn diện tích tự nhiên thành phố với 147,84 km2 15 đơn vị hành cấp phường, xã Tổ chức quản lý liệu dạng số 2D 3D quy hoạch đô thị hạ tầng kỹ thuật tảng công nghệ GIS, cho phép cập nhật thường xuyên, đồng thời có khả cung cấp nhanh chóng xác thơng tin quy hoạch đô thị cho cá nhân tổ chức có nhu cầu Phương pháp nghiên cứu Để thực mục đích nghiên cứu, luận văn sử dụng tổng hợp phương pháp sau: + Phương pháp phân tích, tổng hợp; + Phương pháp thực nghiệm; + Phương pháp chuyên gia: tiếp thu ý kiến giáo viên hướng dẫn, tham khảo nhà khoa học, đồng nghiệp vấn đề luận văn Để thực nhiệm vụ trên, nội dung luận văn thu thập liệu liên quan đến công tác quy hoạch đồ trạng tỷ lệ 1/5000, loại đồ chuyên đề thông tin hạ tầng kỹ thuật (bản đồ quy hoạch sử dụng đất, đồ địa chính, đồ hệ thống giao thơng, đồ hệ thống cấp điện, đồ hệ thống cấp nước, thoát nước, đồ hệ thống xanh vv ) Ngồi tiến hành chuẩn hóa, biên tập liệu, bổ sung 90 lưu trữ lớp thông tin Mỗi lớp thơng tin lưu trữ file có dạng shapefile với liệu thuộc tính xây dựng sở mơ hình liệu quan hệ Dữ liệu thơng tin địa lý phục vụ quy hoạch cho khu vực thành phố Hịa Bình xây dựng dựa nguồn thơng tin bao gồm đồ địa hình tỷ lệ 1:5000 Viện Quy hoạch đô thị Việt Nam thành lập năm 2011, đồ địa tỷ lệ 1:1000 thành phố Hịa Bình quản lý, sổ mục kê lưu trữ thông tin chủ sử dụng đất loại đất thành lập năm 2005 Tất liệu xây dựng Hệ tọa độ VN-2000, múi chiếu độ, kinh tuyến trục 106o00‘ 3.6.1 Xây dựng liệu Toàn liệu xuất nhập từ nguồn liệu có; lưu trữ feature class dataset với vỏ geodatabase; thông tin cần thiết liên kết thuộc tính nhập từ nguồn liệu 91 Các feature class cần thiết cho đối tượng đồ quy hoạch bao gồm: Tên lớp Thông tin cần thiết Lớp Kiến trúc - Kiến trúc cảnh quan Lớp quy hoạch - Code xây dựng - Chỉ giới đường đỏ - Lịng đường giao thơng - Tim đường - Đường sắt - Vỉa hè - Cầu - Bến cảng, bãi đỗ - Hệ thống cấp điện - Nguồn điện Lớp cấp nước - Hệ thống cấp nước Lớp thoát nước - Hệ thống thoát nước - Mương thoát nước - Cửa xả Lớp xanh - Hệ thống xanh công cộng Lớp mặt nước - Hệ thống sông, suối, hồ Lớp đất đai - Hiện trạng sử dụng đất Lớp quy hoạch đất - Quy hoạch sử dụng đất Lớp hành - Ranh giới vùng hành Lớp giao thơng Lớp cấp điện Dữ liệu địa hình chuyển thành mơ hình số độ cao dạng TIN (Triangulation Irregular Network) dạng GRID (Mơ hình số độ cao chia thành ô vuông) Dữ liệu thủy văn bao gồm vị trí sơng suối, ao, hồ, xác định dựa đồ địa đồ địa hình 92 Các liệu đường giao thơng khu vực mã hóa vùng (regions) với đồ địa hình tỷ lệ lớn đối tượng đường cao tốc, đường tỉnh lộ, đường nội khu vực đường ngõ vào nhà đối tượng thuộc dạng vùng Hình 3.10 Quản lý liệu Geodatabase ArcCatalog 93 Hình 3.11 Lớp thơng tin sử dụng đất Hình 3.12 Lớp thủy hệ 94 Hình 3.13 Hệ thống đường giao thơng Hình 3.14 Lớp thơng tin xây dựng – Hệ thống cấp nước Với nguồn liệu thu nhận luận văn tiến hành xây dựng đồ quy hoạch thành phố Hịa Bình đồ thể hình 3.10 95 Hình 3.15 Bản đồ quy hoạch TP.Hịa Bình 96 Vì đặc trưng địa hình Hịa Bình có địa hình núi cao, chia cắt phức tạp, độ dốc lớn theo hướng Tây Bắc - Đông Nam nên để phục vụ hiệu cho cơng tác quy hoạch mơ hình số độ cao DEM cần thiết Dựa vào điểm độ cao, tác giả xây dựng mơ hình số độ cao DEM TP.Hịa Bình với cơng cụ Topo to Raster Arcgis Hình 3.16 Cơng cụ thành lập DEM DEM khu vực nghiên cứu thể hình 3.12 Hình 3.17 Bản đồ DEM khu vực TP.Hịa Bình 3.6.2 Chuyển đổi liệu Một yêu cầu quan trọng việc thành lập sở liệu chuyển đổi liệu hệ tọa độ khác Vì dự án quy hoạch thành phố Hịa Bình dự 97 án phát triển hạ tầng phục vụ cho mục đích quy hoạch nên chúng tơi đưa liệu không gian khu vực thành phố vào phần mềm Arcgis phần mềm có tính phổ dụng cao nên việc chuyển liệu từ hệ tọa độ VN 2000 sang hệ tọa độ phẳng UTM Quốc tế WGS-84 tiện lợi Trong thực nghiệm này, việc chuyển đổi liệu thực dựa mơ hình chuyển đổi Molodensky với tham số chuyển đổi công bố Bộ tài nguyên môi trường Quy trình chuyển tọa độ thực phần mềm ArcGIS toàn liệu chuyển sang hệ tọa độ phẳng UTM WGS-84 3.7 Một số ứng dụng Hệ thống thông tin địa lý phục vụ quy hoạch 3.7.1 Bản đồ độ dốc khu vực thành phố Hịa Bình Đối với cơng tác quy hoạch, đồ độ dốc thông tin quan trọng Địa hình có độ dốc phù hợp khơng gây khó khăn lớn cho xây dựng hoạt động thị Độ dốc thơng thường từ 0.5÷10%, miền núi tới 30% cụ thể ở: khu dân cư 0.5÷10% cịn khu cơng nghiệp 0.5÷5% Với cơng cụ phân tích khơng gian phần mềm Hệ thống thơng tin địa lý việc thành lập đồ độ dốc trở nên dễ dàng nhiều Bản đồ độ dốc xây dựng sở mơ hình số độ cao dạng GRID mơ hình số độ cao dạng TIN Đối với phần mềm ArcGIS, sử dụng cơng cụ thành lập đồ độ dốc với phần mở rộng 3D Analyst Với khu vực thành phố Hịa Bình, đồ độ dốc tạo dựa liệu đo địa hình Hình 3.18 đồ độ dốc thành lập từ liệu địa hình khu vực thành phố Hịa Bình dựa mơ hình số độ cao DEM 98 Hình 3.18 Bản đồ độ dốc khu quy hoạch TP.Hịa Bình 3.7.2 Lựa chọn khu vực có độ dốc phù hợp Mục đích đầu tư dự án sử dụng nguồn đất dự trữ đồ quy hoạch, sử dụng đồ độ dốc để xác định khu vực xây dựng khu công nghiệp phù hợp với địa hình Để lựa chọn khu vực cho xây dựng khu công nghiệp thỏa mãn u câu yếu tố địa hình, dựa tiêu chí độ dốc địa hình