bộ giáo dục đào tạo trường đại học mỏ - địa chất tô thị phong lan Xây dựng sở liệu thành lập mô hình số địa hình phục vụ khảo sát, thiết kế công trình thủy điện Chuyên ngành: Kỹ thuật trắc địa Mà số: 60.52.85 luận văn thạc sĩ kỹ thuật người hướng dẫn khoa học PGS.TS Trần Khánh Hà nội - 2010 LờI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng cá nhân Các số liệu đưa Luận văn trung thực Kết nghiên cứu nêu Luận văn chưa công bố tài liệu khác Tác giả Luận văn Tô Thị Phong Lan Mục lục trang Lời cam đoan Mục lục Danh mục hình vẽ. Danh mục bảng biểu . Danh mục thuật ngữ tiếng Việt tiếng Anh tương ứng Mở đầu 10 Chương 1: sở liệu mô hình số địa hình 13 1.1 Khái niệm đồ số mô hình số địa hình 13 1.1.1 Bản đồ số địa hình 13 1.1.2 Mô hình số địa hình 15 1.2 Lý thuyết sở liệu mô hình số địa hình 17 1.2.1 Khái niệm sở liệu 17 1.2.2 Cấu trúc sở liệu mô hình số địa hình 17 1.3 Phương pháp thu thập số liệu xây dựng mô hình số địa hình 29 1.3.1 Phương pháp đo trực tiếp thực địa 29 1.3.2 Phương pháp đo ảnh 30 1.3.3 Phương pháp số hoá đồ 31 1.3.4 Một số phương pháp khác 31 1.4 Tổ chức sở liệu đồ số mô hình số địa hình 34 1.4.1 Phân lớp thông tin đồ số mô hình số địa hình 34 1.4.2 Chuẩn hoá thông tin đồ số mô hình số địa hình 37 Chương 2: sở lý thuyết thuật toán thành lập mô hình số địa hình 41 2.1 Bài toán xây dựng mô hình số địa hình . 41 2.2 Các phương pháp nội suy độ cao mô hình số địa hình. 43 2.2.1 Nhóm phương pháp nội suy điểm 43 2.2.2 Nhóm phương pháp hàm số chia khu 51 2.3 Các phương pháp thành lập mô hình số địa hình 54 2.3.1 Phương pháp lưới ô vuông quy chuẩn (GRID) 54 2.3.2 Phương pháp lưới tam giác không quy chuẩn (TIN) 58 2.4 60 2.4.1 Tổng quan toán thành lập mô hình TIN 60 2.4.2 Bài toán tìm bao lồi 61 2.4.3 Bài toán tam giác hoá 71 2.5 Biên tập mô hình 78 2.6 Thành lập mô hình số địa hình phần mềm GEOPAK Mô hình số địa hình dạng TIN Chương 3: Xây dựng sở liệu thành lập mô hình số địa hình phục vụ 85 87 khảo sát thiết kế công trình thủy điện. 3.1 Các tài liệu địa hình phục vụ khảo sát thiết kế công trình thủy điện 87 3.2 Tổ chức liệu giai đoạn khảo sát thiết kế công trình 89 thuỷ điện 3.3 Biện pháp lưu trữ liệu mô hình số địa hình 3.4 Đặc trưng sở liệu để thành lập mô hình số địa hình 3.5 91 khảo sát thiết kế công trình thủy điện 95 Các toán trắc địa mô hình số địa hình 97 Phần thực nghiệm. 116 Kết luận kiến nghị. 133 Các công trình khoa học có liên quan. 135 TàI liệu tham khảo. 136 Danh mục hình vẽ Stt Tiêu đề Tên hình Trang Hình 1.1 Bản đồ với mô hình liệu vector 20 Hình 1.2 Đối tượng point đồ 20 Hình 1.3 Đối tượng line đồ 20 Hỡnh 1.4 Đối tượng polygon đồ 21 Hình 1.5 Bản đồ với mô hình liệu raster 21 Hình 1.6 ảnh chụp từ máy bay 22 Hình1.7 Biến đổi từ liệu vector sang raster 22 Hình 1.8 Mảng cell bảng thuộc tính 23 Hình 1.9 Biểu diễn đối tượng sở raster 24 10 Hình 1.10 Chuyển đổi liệu raster sang vector 24 11 Hình 1.11 Bản đồ với mô hình liệu TIN 27 12 Hình 1.12 Biểu diễn TIN từ đối tượng 27 13 Hình 1.13 Nguyên lý làm việc cđa hƯ thèng LIDAR 33 14 H×nh 2.1 BiĨu diƠn toán học bề mặt địa hình 42 15 Hình 2.2 Phương pháp trung bình trọng số 44 16 Hình 2.3 Nội suy độ cao điểm x 45 17 Hình 2.4 Nội suy điểm x theo vòng tròn bán kính R 46 18 Hình 2.5 Mô hình phương pháp hình tròn động 48 19 Hình 2.6 Tính đồng phẳng véctơ 52 20 Hình 2.7 Nội suy song tuyến tính 54 21 Hình 2.8 Mô hình số địa hình dạng GRID 55 22 Hình 2.9 Mô hình GRID 56 23 Hình 2.10 Mô hình số địa hình dạng TIN 58 24 Hình 2.11 Mô hình TIN 59 25 Hình 2.12 Dữ liệu ban đầu 62 26 Hình 2.13 Xác định bao lồi 62 27 Hình 2.14 Thuật toán Interior Points 63 28 Hình 2.15 Thuật toán Extreme edges 64 29 Hình 2.16 Thuật toán gói quà 65 30 Hình 2.17 Thuật toán Divide and Conquer 68 31 Hình 2.18 Thuật toán Quick Hull 69 32 Hình 2.19 Từ điểm đo đến trình tam giác hoá 71 33 Hình 2.20 Thứ tự thành lập mô hình số địa hình 72 34 Hình 2.21 Đổi đường chéo tứ giác 73 35 Hình 2.22 Tam giác thường 74 36 Hình 2.23 Tam giác Delaunay 74 37 Hình 2.24 Lưới tam giác hoá thông thường 75 38 Hình 2.25 Lưới tam giác hoá Delaunay 75 39 Hình 2.26 Phương pháp dự đoán góc 77 40 Hình 2.27 Các dạng đường breakline 80 41 Hình 2.28 Hoán đổi tam giác 81 42 Hình 2.29 Chèn thêm điểm vào mô hình 85 43 Hình 3.1 Sơ đồ tổ chức quản lý tổng quát liệu đồ số địa hình 94 44 Hình 3.2 Thuật toán Jordan 99 45 Hình 3.3 Thuật toán nửa đường thẳng 99 46 Hình 3.4 Nội suy độ cao điểm tam giác 100 47 Hình 3.5 Nội suy đường bình độ tam giác 102 48 Hình 3.6 Nội suy độ cao vẽ đường bình độ 104 49 Hình 3.7 Thống kê thông số mô hình 105 50 Hình 3.8 Vẽ mặt cắt lên mô hình TIN 106 51 Hình 3.9 Xác định độ cao điểm m i 108 52 Hình 3.10 Chọn thông số cho mặt cắt 109 53 Hình 3.11 Vẽ mặt cắt mô hình 110 54 Hình 3.12 Mặt cắt thu 110 55 Hình 3.13 Tính dung tích vùng hồ theo phân lớp đường bình độ 111 56 Hình 3.14 Phạm vi lòng hồ (toàn vùng lưới tam giác màu xanh) 114 57 Hình 4.1 Tổng mặt bố trí công trình thủy điện Khe Bố 117 58 Hình 4.2 Mô hình TIN công trình thủy điện Khe Bố 120 59 Hình 4.3 Nội suy độ cao bình độ mô hình TIN đà biên tập 121 60 Hình 4.4 Vẽ mặt cắt lên mô hình TIN 122 61 Hình 4.5 Mặt cắt xuất từ mô hình TIN 122 62 Hình 4.6 Phạm vi lòng hồ 123 63 Hình 4.7 Lưới tam giác đà chỉnh biên phạm vi lòng hồ 124 64 Hình 4.8 Mô hình nội suy vùng tuyến đập công trình thuỷ điện Khe Bố 126 65 Hình 4.9 Mô hình lập thể không gian chiều khu vực tuyến đập 127 66 Hình 4.10 Phân tích dòng nước chảy xuôi từ cao xuống 128 67 Hình 4.11 Phân tích vùng tụ nước mô hình TIN 129 68 Hình 4.12 Phân tích vùng nhìn mô hình TIN 130 69 Hình 4.13 Bản đồ số 3D 131 Danh mục bảng biểu Stt Tên bảng Bảng 2.1 Nội dung Bảng tổng kết so sánh thuật toán tìm bao lồi Trang 70 Danh mục thuật ngữ tiếng Việt tiếng Anh tương ứng Tiếng Việt Stt Tiếng Anh Bản đồ số Digital map Bao lồi Convex hull Cạnh Edge Cơ sở liệu Database Đa giác lồi Convex polygon §iĨm khèng chÕ Control point §Ønh Vertex §å thÞ Graph §é cao Elevation, Height 10 §é dốc Slope 11 Độ phức tạp tính toán Complexity 12 Đường bình độ Contour line 13 Hàm đa thức Polynomial 14 Hướng đối tượng Object-oriented 15 Khả nhìn thông hướng Line of sight visibility 16 Khảo sát, đo đạc Survey 17 Làm trơn đường bình độ Contour line smoothing 18 Lưới tam giác không qui chuẩn Triangulated Irregular Network (TIN) 19 Máy kinh vĩ điện tử Digital theodolite 20 Máy toàn đạc điện tử Total station 21 Mặt cắt Cross section, Profile 22 Mặt đa diện Face 23 Mặt đầy đủ đa diện Facet 24 Mô hình Model 25 Mô hình lưới ô vuông GRID model 26 Mô hình lưới tam giác không quy chuẩn Triangulated Irregular Network 27 Mô hình số địa hình Digital Terrain Model (DTM) 28 Mô hình số độ cao Digital Elevation Model (DEM) 29 Mô hình số Digital Model 30 Môn hình häc tÝnh to¸n Computational geometry 31 Néi suy Interpolation 32 Néi suy song tuyÕn tÝnh Bi-linear interpolation 33 Néi suy tuyÕn tÝnh Linear interpolation 34 Sè hãa Digitize 35 Tam giác hóa Triangulation 36 Thể tích đào đắp Cut and fill volumes 37 Thuật toán Algorithm 38 Thuật toán điểm Interior Points 39 Thuật toán cạnh bên Extreme edges 40 Thuật toán gói quà Gift Wrapping 41 Thuật toán chia để trị Divide and Conquer 42 Thuật toán bao lồi không gian Quick Hull 43 Thuật toán nửa đường thẳng Jordan 44 Tính lồi Convex 45 Tính toán thể tích dung tích Volume computation 46 Tọa độ Coordinate 47 T« bãng Shading 48 Trùc quan hãa Visualization 49 Tự động hóa Automation 122 b) Vẽ mặt cắt Để vẽ mặt cắt lên mô hình, trước tiên cần xác định điểm đầu điểm cuối mặt cắt, vị trí mặt cắt cần xác định vạch tuyến mặt cắt lên mô hình Mô hình hiển thị trực quan hình dạng mặt cắt Sau để vẽ chi tiết mặt cắt, ta cần nhập thông số tỷ lệ đứng, tỷ lệ ngang, khoảng cách lưới ngang dọc mặt cắt để vẽ mặt cắt tương đối hoàn chỉnh Hình 4.4: Vẽ mặt cắt lên mô hình TIN Sau nhập thông số mặt cắt, ta vẽ mặt cắt dạng hình 4.5 Hình 4.5: Mặt cắt xuất từ mô hình TIN 123 c) Tính dung tích hồ chứa: Theo đề cương cắm mốc viền hồ, cao trình hồ chứa ranh giới hồ chứa xác định đồ 1:10000 vùng hồ, diện tích rộng lớn mà khu vực đồ vùng tuyến 1:2000 phần nhỏ Luận văn giới thiệu cách tính dung tích hồ chứa trực tiếp mô hình, diện tích thực tế vùng hồ Từ đề cương cắm mốc viền hồ công trình thủy điện Khe Bố, ta xác định cao trình cắm mốc viền hồ từ đường bình độ 65m trở xuống, từ vị trí tuyến đập hạ lưu Ta lấy cao trình để tính dung tích hồ chứa mô hình Hình 4.6: Phạm vi lòng hồ 124 Trên hình 4.6, đường viền hồ đường bình độ màu xanh Để tính dung tích hồ cần chỉnh lại biên lưới tam giác từ vị trÝ tun ®Ëp trë xng Dïng lƯnh Cut TIN ®Ĩ chỉnh biên lưới tam giác Hình 4.7: Lưới tam giác đà chỉnh biên phạm vi lòng hồ Sau đà chỉnh biên, ta tính được dung tích hồ chứa sau: 125 Dung tích cần tính dung tích tổng đường đồng mức kề tức 4507896.8m 4.3 Xây dựng sở liệu thành lập mô hình số địa hình cho Giai đoạn thiết kế kỹ thuật Để phục vụ thiết kế kỹ thuật, tài liệu địa hình cần thành lập gồm có: + Bản đồ số địa hình tỷ lệ 1:500, đồng mức 0.5m, đầy đủ đối tượng địa hình địa vật theo yêu cầu thiết kế + Mặt cắt thuỷ văn để xây dựng đường quan hệ Q=F(H) + Dung tÝch hå chøa + Ph©n tÝch thủ hƯ 4.3.1 Cơ sở liệu cần có Xây dựng mô hình số địa hình 3D toàn mặt công trình gồm đối tượng 3D đầy đủ đường bình độ, độ cao điểm, đường breakline thể đặc trưng địa đường phân thuỷ, tụ thuỷ, đường giao thông, taluy, vách sạt, bờ lở, nhà độc lập; kết nối địa vật độc lập đặc trưng vào mô hình Dùng mô hình TIN vừa thành lập để phân tích thuỷ hệ phục vụ thuỷ văn, phân tích tầm nhìn 4.3.2 Kết thực nghiệm 1) Mô hình nội suy Sau xây dựng, mô hình thành lập có dạng sau: Hình 4.8: Mô hình nội suy vùng tuyến đập công trình thuỷ điện Khe Bố Trên mô hình thể đầy đủ yếu tố địa hình địa vật dạng 3D đường bình độ, độ cao, đường breakline, địa vật độc lập biên soạn theo ký hiệu đồ địa hình 126 Để cho rõ hơn, nhìn mô hình dạng lập thể chiều sau: Hình 4.9: Mô hình lập thể không gian chiều khu vực tuyến đập 127 128 2) Phân tích thuỷ hệ a) Phân tích dòng nước chảy xuôi từ vị trí cao xuống Hình 4.10: Phân tích dòng nước chảy xuôi từ cao xuống Hình 4.10 thể phân tích dòng nước chảy xuôi từ cao xuống ứng dụng hữu ích nghiên cứu thuỷ văn muốn xác định hướng nước chảy từ khu vực núi Các đường mầu xanh da trời đường hướng nước chảy từ núi xuống sông Vùng đặc sông vùng trũng nước chảy xuống 129 b) Phân tích vùng tụ nước toàn bề mặt mô hình số Hình 4.11: Phân tích vùng tụ nước mô hình TIN Phân tích vùng tụ nước mô hình TIN cho phép phân tích thể tất rÃnh nước, vùng trũng tụ nước, hồ chứa bề mặt mô hình số Từ giúp thiết kế thủy văn xác định vùng ngập nước, xác định ranh giới hồ chứa xác Trên hình 4.11, vùng đặc màu xanh vùng tụ nước Còn vùng màu đỏ vùng nước đảo, gò 130 3) Phân tích tầm nhìn Hình 4.12: Phân tích vùng nhìn mô hình TIN Hình 4.12 mô tả ứng dụng phân tích vùng nhìn mô hình TIN Ta đứng điểm quan sát hình vẽ (điểm tròn màu xanh da trời) Những vùng nhìn thấy vùng có mầu đỏ, vùng không nhìn thấy vùng có màu xanh nhạt ứng dụng có ý nghĩa thiết kế lưới trắc địa 4) Bản đồ số địa hình 3D 131 Sau thành lập mô hình số địa hình, cần biên tập mô hình số địa hình thành đồ số địa hình 3D với đầy đủ nhóm lớp thông tin dựa sở liệu mô hình số địa hình file phụ trợ theo quy trình quy phạm Hình 4.13: Bản đồ số 3D Bản đồ số địa hình sở liệu cung cấp cho thiết kế thuỷ văn để truy vấn thông tin tọa độ, độ cao thuộc tính nhằm nghiên cứu tổng thể khu 132 vực dự án, vị trí tuyến đập, vị trí phạm vi hồ chứa, đặc điểm địa mạo để từ nghiên cứu đặc điểm địa chất cho phù hợp với công trình thủy điện Bản đồ số địa hình nguồn liệu làm sở để nghiên cứu phạm vi đo vẽ đồ địa chất, xác định mặt cắt địa chất cần có, hố khoan thăm dò địa chất, đo nối cao tọa độ điểm khoan đào địa chất Do vậy, đồ số mô hình số địa hình nguồn sở liệu quan trọng khảo sát thiết kế công trình thủy điện 133 KếT LUậN kiến nghị I Kết luận Qua thời gian nghiên cứu sở lý thuyết ứng dụng thực nghiệm đề tài Xây dựng sở liệu thành lập mô hình số địa hình phục vụ khảo sát, thiết kế công trình thủy ®iƯn” t«i rót mét sè kÕt ln sau: Với phát khoa học công nghệ nay, thành lập đồ số, mô hình số địa hình nhu cầu thiết thực công tác trắc địa đồ nói chung, đặc biệt khảo sát địa hình phục vụ thiết kế công trình thuỷ điện Bản đồ số mô hình số địa hình có nhiều mạnh quản lý, lưu trữ thông tin, xuất tài liệu Bản đồ số thuận lợi, linh hoạt việc bổ xung cập nhật, sửa đổi chỉnh lý thông tin địa hình, địa vật thành lập đồ chuyên đề Bản đồ số mô hình số địa hình liệu sở để tự động giải toán ứng dụng khảo sát thiết kế nội suy độ cao, vẽ mặt cắt, tính dung tích hồ chứa, tính khối lượng đào đắp lấy thông tin cần thiết phục vụ chuyên nghành Dữ liệu đồ số, mô hình số gắn kết với trình tính toán, thiết kế tự động máy Qua nghiên cứu lý thuyết kiểm chứng thực nghiệm, luận văn đà bước đầu xây dựng thành công hệ thống sở liệu mô hình số đồ số địa hình phục vụ công tác thiết kế công trình thủy điện giai đoạn khác dự án II Kiến nghị nghiên cứu Các hướng phát triển đề tài là: Nghiên cứu tích hợp chức làm trơn đường bình độ đỉnh Hiện phần mềm có chức làm trơn đường bình độ chưa có mục làm trơn đỉnh, nên xảy trường hợp đường bình độ bị sai lệch vị trí so với điểm độ cao đỉnh 134 Tự động hoá thao tác biên tập mô hình TIN theo biện pháp khác biện pháp thủ công thực luận văn Hiện chức biên tập mô hình chủ yếu phải thực thủ công tùy thuộc nhiều vào lực người thực Tự động hoá thao tác biên tập làm tốc độ xử lý liệu nhanh dễ dàng cho người thực Hoàn thiện phần vẽ mặt cắt địa hình với nhiều thông tin cung cấp giao diện rõ ràng Hiện phần mềm GEOPAK có nhược điểm phần vẽ mặt cắt sơ sài nội dung độ xác không bị ảnh hưởng Hướng nghiên cứu tiếp theo, luận văn sâu nghiên cứu cho phần vẽ mặt cắt đầy đủ 135 CáC CÔNG TRìNH KHOA HọC có liên quan KS Tô Thị Phong Lan, ứng dụng mô hình số địa hình để tính thể tích hồ chứa công trình thuỷ điện, Tạp chí khoa học đo đạc đồ, số 4/62010 Viện khoa học đo đạc đồ Bộ Tài nguyên Môi trường 136 Tài liệu tham khảo Đặng Văn Đức (2001), Hệ thống thông tin địa lý Nxb Khoa học Kỹ Thuật, Hà Nội Phan Văn Hiến, Ngô Văn Hợi, Trần Khánh, Nguyễn Quang Thắng, Nguyễn Quang Phúc, Phan Hồng Tiến, Trần Viết Tuấn (2001), Trắc địa công trình, Nxb Giao thông Vận tải, Hà Nội Trần Khánh (2009), Mô hình số địa hình ứng dụng trắc địa công trình, Bài giảng cao học, Hà Nội Võ Quang Minh (1998), Bài giảng môn học Hệ thống thông tin địa lý, Khoa Nông nghiệp, Đại học Cần thơ Phạm Vọng Thành (2004), Mô hình số độ cao nghiên cứu tài nguyên môi trêng, Nxb Khoa häc kü thuËt, Hµ Néi Trung tâm công nghệ thông tin (1996), Tập giảng Một số khái niệm GIS, Trường Đại học mỏ địa chất Hà nội Mark de Berg, Marc van Kreveld, Mark Overmars, Otfried Schwarzkopt, (2000), Computational Geometry Algorithms and Applications, (2ed), London, 367p Mercer,B.Combining(2001), LIDAR and IFSAR: What can you expect?, Photogrammetry Week 2001, pp.227 – 237, University of Stuttgart, Stuttgart, Germany ... Xây dựng sở liệu thành lập mô hình số địa hình phục vụ 85 87 khảo sát thiết kế công trình thủy điện. 3.1 Các tài liệu địa hình phục vụ khảo sát thiết kế công trình thủy điện 87 3.2 Tổ chức liệu. .. đoạn khảo sát thiết kế công trình 89 thuỷ điện 3.3 Biện pháp lưu trữ liệu mô hình số địa hình 3.4 Đặc trưng sở liệu để thành lập mô hình số địa hình 3.5 91 khảo sát thiết kế công trình thủy điện. .. mô hình số địa hình - Nghiên cứu sở liệu thành lập mô hình số địa hình - Xây dựng sở liệu thành lập mô hình số địa hình phục vụ khảo sát thiết kế công trình thủy điện - ứng dụng thực nghiệm Phương