Nghiên cứu ứng dụng công nghệ 3d để thành lập bản đồ (lấy ví dụ thành lập đồ du lịch 3d khu vực đảo phú quốc)

Bộ Giáo dục đào tạo Trờng đại học mỏ-địa chất Bùi quốc việt nghiên cứu ứng dụng công nghệ 3D để thành lập đồ (Lấy ví dụ: Thành lập đồ du lịch 3D khu vực đảo Phú Quốc) Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hà Nội - 2007 Bộ Giáo dục đào tạo Trờng đại học mỏ-địa chất Bùi quốc việt nghiên cứu ứng dụng công nghệ 3D để thành lập đồ (Lấy ví dụ: Thành lập đồ du lịch 3D khu vực đảo Phú Quốc) Chuyên ngành: Bản đồ, viễn thám hệ thống thông tin địa lý M số: 60.44.76 Luận văn th¹c sÜ kÜ tht Ng−êi h−íng dÉn khoa häc: PGS.TS Trần Trung Hồng Hà nội - 2007 Lời cam đoan Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực cha đợc công bố công trình khác Tác giả luận văn Bùi Quốc Việt Mục lục Trang phụ bìa trang Lời cam đoan Môc lôc Danh môc bảng Danh mục hình vẽ mở đầu Ch−¬ng 1- sở lý thuyết chung đồ 11 1.1 Định nghĩa sở toán học đồ 11 1.1.1 Định nghĩa đồ 11 1.1.2 Phân loại đồ 11 1.1.3 Cơ sở toán học đồ 15 1.2 Các phơng pháp biểu thị nội dung đồ chuyên đề 23 1.2.1 Phơng pháp ký hiệu dạng điểm 23 1.2.2 Phơng pháp ký hiệu dạng đờng 24 1.2.3 Phơng pháp chất lợng 25 1.2.4 Phơng pháp đờng đẳng trị 25 1.2.5 Phơng pháp vùng phân bố 26 1.2.6 Phơng pháp điểm 27 1.2.7 Phơng pháp biểu đồ ®Þnh vÞ 28 1.2.8 Phơng pháp đồ giải 28 1.2.9 Ph−¬ng pháp đồ biểu đồ 29 1.2.10 Phơng pháp đờng chuyển ®éng 30 1.3 Trình bày đồ 30 1.3.1 Kh¸i niƯm chung trình bày đồ 30 1.3.2 Mầu sắc trình bày ®å 32 1.3.3 Phơng pháp tạo hình 36 Chơng 2- Bản đồ số sở khoa học đồ 3D 46 2.1 Khái niệm đồ sè 46 2.1.1 Định nghĩa 46 2.1.2 Đặc điểm, tính chất đồ số 46 2.1.3 Cấu trúc liệu ®å sè 48 2.1.4 Chuẩn đồ số 50 2.2 C¬ së khoa học đồ 3D 52 2.2.1 Mét sè kh¸i niệm 52 2.2.2 Mô hình số độ cao DEM 53 2.2.3 Các đối tợng đồ 3D 56 2.2.4 C¸c øng dụng đồ 3D 57 2.2.4 Xu hớng phát triển ®å 3D trªn thÕ giíi 61 Chơng 3- Phơng pháp nghiên cứu đồ 3D 63 3.1 Các phần mềm dùng thành lập đồ 3D 63 3.1.1 Khái quát phần mềm 3D 63 3.1.2 C¸c phần mềm làm đồ 3D 65 3.2 Các phơng pháp thành lập đồ 3D 71 3.2.1 Thành lập đồ 3D từ ảnh m¸y bay 72 3.2.2 Thành lập đồ địa hình 3D từ đồ địa hình có sẵn 77 3.2.3 Thành lập đồ 3D từ nguồn ảnh viễn thám khác 80 Chơng 4- ứng dụng thành lập đồ du lịch 3D khu vực đảo Phó Quèc 84 4.1 Mục đích yêu cầu 84 4.2 Các thông số chung đồ 84 4.2.1 Tªn đồ 85 4.2.2 KÝch th−íc 85 4.2.3 Bố cục đồ 85 4.2.4 Néi dung thĨ hiƯn 86 4.3 Đặc điểm địa lý khu vực lập đồ 86 4.3.1 Vị trí địa lý 86 4.3.2 Đặc điểm địa lý tự nhiên kinh tế xc héi 87 4.4 T liệu để thành lập đồ 88 4.5 C«ng nghƯ thành lập đồ 88 4.6 Quá trình thành lập 89 4.6.1 §¸nh gi¸ t− liƯu 89 4.6.2 ThiÕt kÕ kÝ hiÖu 89 4.6.3 ThiÕt kÕ thang tÇng mÇu vên bãng cho mô hình DEM 92 4.6.4 Tạo mô hình số độ cao DEM 94 4.6.5 Thành lập ®å 3D phÇn mỊm ArcScene 99 4.6.6 Thành lập đồ 3D phần mềm Coreldraw 100 4.7 Đánh giá kết qu¶ 102 Kết luận kiến nghị 103 Tµi liƯu tham kh¶o 105 Danh mục Bảng Bảng 1.1 Kích thớc elipsoid đợc dùng giới Bảng 1.2 Đặc ®iĨm cđa HƯ täa ®é Hµ néi - 72 vµ Hệ tọa độ VN-2000 Bảng 4.1 Thông số mầu thang tầng mầu Danh mục hình vẽ Hình 1.1 Các tham số kích thớc elípoid Hình 1.2 Hệ toạ độ X,Y,Z Hình 1.3 Các tọa độ cực cầu Hình 1.4 Sự tơng quan tọa độ địa lý tọa độ cực cầu Hình 1.5 Khai triển bề mặt trái đất thành múi 6o phép chiếu UTM GAUSS Hình 1.6 Các kiểu thể tỷ lệ đồ Hình 1.7 Thể mầu sắc động thái tợng Hình 1.8 Sơ đồ dẫy mầu thang tầng địa hình đồ lục địa tỉ lệ 1: 2500000 Hình 1.9 Mối phụ thuộc khả phân biệt mắt góc nhìn Hình 1.10 Đờng cong lập thể mầu quang phổ Hình 1.11 Thang mầu cảnh quan Hình 1.12 Thang mầu phối cảnh Hình 1.13 Thang phân tầng địa hình đáy biển Hình 2.1 Mô hình số độ cao DEM Hình 2.2 DEM khu đô thị Hình 2.3 Virtual 3D cđa Microsoft H×nh 2.4 SketchUp cđa Google H×nh 3.1 Qui trình công nghệ thành lập đồ 3D sử dụng ảnh máy bay Hình 3.2 Qui trình công nghệ thành lập đồ 3D từ đồ địa hình có sẵn Hình 3.3 Qui trình công nghệ thành lập đồ 3D từ nguồn ảnh viễn thám khác Hình 4.1 Bố cục tờ đồ Du lịch Phú Quốc Hình 4.2 Sơ đồ nếp gấp tờ đồ Du lịnh Phú Quốc Hình 4.3 Tạo ký hiệu phần mềm SketchUp Hình 4.4 Nhập ký hiệu vào th viện ký hiệu phần mềm ArcScene Hình 4.5 Th viện ký hiệu phần mềm ArcScene Hình 4.6 Tạo th viện ký hiệu phần mềm Coreldraw Hình 4.7 Các thang tầng mầu vờn bóng địa hình Hình 4.8 Tạo mô hình số độ cao phền mềm ArcScene Hình 4.9 Nhập liệu vào ArcScene Hình 4.10 Tạo TIN ArcScene Hình 4.11 Tạo Grid từ TIN công cụ 3D Analyst Hình 4.12 Phủ dựng đối tợng lên bề mặt địa hình Hình 4.13 Chồng xếp lớp liệu ArcScene Hình 4.14 Tạo DEM MapRender 3D Hình 4.15 Tô mầu vờn bóng địa hình MapRender 3D Hình 4.16 Bản đồ đảo Phú Quốc đợc thể phần mềm Coreldraw 92 - Tạo th viện ký hiệu phần mềm Coreldraw: Sau tạo đợc ký hiệu công cụ công cụ Toolbox ta tiến hành nhập ký hiệu vào th viện ký hiệu cách chän vµo ký hiƯu vµo Menu bar vµo Edit chọn New Symbol đặt tên cho ký hiệu Ký hiệu sau đợc đặt tên đợc link vào th viện ký hiệu đợc gọi Symbol Manager nh hình 4.6 Hình 4.6 Tạo th viện ký hiệu phần mỊm Coreldraw 4.6.3 ThiÕt kÕ thang tÇng mÇu vên bãng cho mô hình DEM Bản đồ du lịch Phú Quốc đợc thiết kế thể năm thang mầu gồm thang: thang cảnh quan, thang Poiker, thang Imhốp, thang lục nâu thang quang phổ 93 Bảng 4.1 Thông số mầu thang tầng mầu Thang Cảnh quan R 245 500 trở lên G 179 B 207 R 239 400 G 159 B 147 R 242 300 G 174 B 169 R 246 200 G 197 B 170 R 251 100 G 221 B 124 R 255 60 G 250 B 146 R 200 40 G 227 B 163 R 157 20 G 200 B 176 R 109 G 192 B 166 §é cao (m) Thang Poiker R 248 G 198 B 219 R 243 G 179 B 183 R 246 G 197 B 152 R 254 G 242 B 155 R 217 G 235 B 178 R 172 G 216 B 199 R 197 G 197 B 196 R 210 G 209 B 209 R 230 G 229 B 229 Thang Imhèp R 248 G 198 B 219 R 245 G 196 B 145 R 251 G 221 B 115 R 255 G 249 B 116 R 255 G 251 B 156 R 217 G 234 B 173 R 182 G 221 B 199 R 150 G 208 B 198 R 119 G 191 B 201 Thang Lơc n©u R 228 G 103 B 58 R 233 G 125 B 84 R 237 G 145 B 110 R 241 G 168 B 137 R 246 G 194 B 169 R 216 G 236 B 227 R 166 G 214 B 196 R 123 G 196 B 171 R 83 G 182 B 149 Thang Quang phæ R 243 G 169 B 199 R 245 G 186 B 192 R 248 G 209 B 166 R 251 G 225 B 165 R 255 G 251 B 156 R 236 G 243 B 172 R 217 G 235 B 178 R 183 G 220 B 160 R 153 G 207 B 143 94 Hình 4.7 Các thang tầng mầu vờn bóng địa hình 4.6.4 Tạo mô hình số độ cao DEM Bình độ sau đợc chỉnh sửa nhập độ cao hoàn chỉnh phần mềm MicroStation đợc file.dgn chuyển qua dạng file.shp nhập vào phần mềm ArcScene, dùng công cụ 3D Analyst tạo TIN TINGRID Dùng công cụ ArcToolbox chuyển TINGRID sang file dạng mc ASCII để phục vụ cho việc tô mầu vờn bóng bớc sau Hình 4.8 Tạo mô hình số ®é cao phỊn mỊm ArcScene 95 - HiĨn thÞ môi trờng 3D Hiển thị liệu môi trờng 3D giúp ta nhìn cách trực quan Công cụ 3D view cung cấp hớng nhìn mà ta nhìn trực tiếp từ đồ phẳng Ví dụ để thay cho việc luận chỗ lõm địa hình từ đờng bình độ dễ dàng nhận chỗ địa hình thay đổi quan sát đợc khác độ cao điểm đáy điểm đỉnh môi trờng 3D - Nhập liệu vào ArcScene: Khởi động với ArcScene nhập liệu vào Có thể nhập liệu dạng Vector, dạng Rastor, liệu 2D 3D Khi bạn nhập liệu vào ArcScene, chuyển đổi việc hiển thị lớp liệu ArcScene cách thay đổi thuộc tính lớp Các thuộc tính 3D mµ ta cã thĨ thiÕt lËp cho mét líp Base Height, Extrution Rendering Các thuộc tính có ArcScene ArcGlobe Để nhập liệu vào ArcScene làm theo bớc sau: + ấn nút Add Data Toolbar ArcScene vào File \Add Data + Xuất hộp thoại Add Data (Hình 4.11) chọn đờng dẫn đến file liệu cần mở ấn Add Hình 4.9 Nhập liệu vào ArcScene 96 - Tạo TIN ArcScene Bạn tạo TIN từ nhiều kiểu liệu, tạo mảnh TIN nhập thêm liệu vào mảnh TIN đc tồn để tăng cờng thêm độ xác TIN TIN bao gồm điểm masspoint, đờng Breaklines Polygon Các điểm masspoint điểm độ cao, chúng nút mạng lới tam giác Các điểm sở đầu vào TIN, chúng xác định hình dạng bề mặt địa hình Để tạo TIN bạn sử dụng công cụ 3D Analyst + Vào 3D Analyst\ Create/Modify TIN\ Create TIN from Features + Xt hiƯn hép tho¹i Create TIN from Features Hình 4.10 Tạo TIN ArcScene + Đánh dấu tích vào lớp liệu 3D để tạo TIN ấn vào biểu tợng Open để lựa chọn lớp đối tợng để tạo TIN 97 + Trong vïng Setting for selected layer chó ý tr−êng Height source chän Feature Z values + Trong Output TIN xác định đờng dẫn, tên file TIN đợc tạo - Tạo Grid từ TIN công cụ 3D Analyst Khi hình cha xuất menu 3D Analyst + Chọn View \Toolbar \ 3D Analyst để hiển thị menu 3D Analyst + Chän 3D Analyst\ Convert \ TIN to Raster xt hiƯn hép tho¹i Convert TIN to Raster + ấn vào mũi tên xổ xuống dòng Input TIN chọn biểu tợng Open để mở TIN mà bạn muốn chuyển sang dạng Raster + ấn vào mũi tên xổ xuống dòng Attribute để xác định thuộc tính TIN mà bạn muốn chuyển thành dạng Raster.Bạn chọn thuộc tính độ cao, hớng hay độ dốc theo % theo độ Hình 4.11 Tạo Grid từ TIN công cụ 3D Analyst + Xác định Z-factor: Z-factor đợc sử dụng để chuyển đơn vị Z giống với tỷ lệ X Y chúng khác + Xác định kích thớc mắt lới (Cell size) cho Raster + Xác định đờng dẫn tªn cđa Raster hép text Output Raster + Ên OK 98 - Phủ dựng đối tợng lên bề mặt địa hình: Nếu nh có mô hình số địa hình vùng đó, ta sử dụng giá trị độ cao Z từ mô hình để gán cho đối tợng phía bề mặt địa hình Việc gọi Drap đối tợng Vì bạn sử dụng công nghệ để nhìn trực quan ảnh môi trờng 3D cách phủ (Drap) ảnh lên bề mặt địa hình Ngoài bạn muốn xem đối tợng nhà môi trờng 3D bạn dựng (Extrution) chúng lên cách sử dông thuéc tÝnh nh− Building Height hay Number of Stories Cũng dựng đối tợng lên dựa giá trị tuỳ ý Nhiều muốn nhìn đối tợng 2D ArcScene với giá trị Z đợc lấy từ vài thuộc tính giá trị độ cao Ví dụ tạo Scene mà thể thành phố đợc dựng lên thành cột cao thấp khác dựa vào mật độ dân số chúng Để phủ ảnh lên địa hình vùng bạn làm theo bớc sau: + Trong cửa sổ Scene Layer ấn chuột phải vào lớp ảnh mà bạn muốn Drap vµ chän Properties + Xt hiƯn hép héi tho¹i Layer Properties - Chän tr−êng Base Heights Trong tr−êng Base Height chọn thông số sau: - Chọn Obtain heights for layer from surface - ấn vào mũi tên xỉ xng cđa dßng Obtain heights for layer from surface ấn vào biểu tợng Open để mở TIN Grid mà bạn muốn lấy độ cao từ bề mặt -ấn OK 99 Hình 4.12 Phủ dựng đối tợng lên bề mặt địa hình 4.6.5 Thành lập đồ 3D phần mềm ArcScene Các nội dung dân c, giao thông, ranh giới, thuỷ hệ đc số hóa đợc biên tập hoàn thiện môi trờng ®å häa 2D tr−íc ®Èy sang ArcGis ®Ĩ g¸n thuộc tính hiển thị đối tợng môi trờng lập thể Nhìn chung đối tợng phải đợc chuẩn bị hai loại liệu: liệu đồ họa dạng vùng, đờng điểm hai text chứa nội dung thuộc tính đối tợng Các đối tợng dạng vùng kể đến: sông hai nét, hồ ao; đờng giao thông hai nét; sân, nhà; vùng thực vật Đối với nhóm đối tợng có thuộc tính để riêng mét file, hc ë mét líp file DGN hay qui định cho chúng dạng ký hiệu định cho phép chọn riêng gán thuộc tính hàng loạt cho đối tợng đợc chọn mà không cần tạo text thuộc tính cho đối tợng riêng 100 biệt Sau đc chuẩn bị xong, tiến hành đẩy liệu sang ArcGis, Convert thành SHP file Trong phần mềm ArcScene, add SHP file lên TINGRID, nhập ký hiệu 3D, biên tập chỉnh sửa yếu tố nội dung gán liệu thuộc tính Kết đạt đợc đồ dạng 3D đợc hiển thị môi trờng ArcScene Hình 4.13 Chồng xếp lớp liệu ArcScene 4.6.6 Thành lập đồ 3D phần mềm Coreldraw File dạng mc ASCII đc đợc tạo mục 4.6.3 đợc nhập vào phần mềm MapRender 3D để tạo thang tầng độ cao tô mầu vờn bóng Hình 4.14 Tạo DEM MapRender 3D 101 Nhập thông số mầu bảng 4.1 vào bảng MapRender D settings, nh hình 4.16 Hình 4.15 Tô mầu vờn bóng địa hình MapRender 3D Export file đc tô mầu vờn bóng sang file dạng ảnh tif nhập vào phần mềm Coreldraw Các file dgn dân c, giao thông, ranh giới, thuỷ hệ đc đợc chỉnh sửa export sang dạng file dxf đa vào phần mềm Coreldraw, file đợc xếp lên ảnh vờn bóng Biên tập chỉnh sửa yếu tố nội dung thêm ký hiệu đồ hoạ 3D Kết đạt đợc đồ dạng 3D phần mềm Coreldraw biên tập chế in cách dễ dàng Hình 4.16 Bản đồ đảo Phú Quốc đợc thể phần mềm Coreldraw 102 4.7 Đánh giá kết Bản đồ du lịch Phú Quốc đợc làm phầm mềm có môi trờng 3D đồ hoạ tốt nên sản phẩm đợc in giấy đáp ứng đợc mục tiêu đề tài Sản phẩm dạng số môi trờng ArcScene đợc thể dạng khái quát tổng thể yêu cầu đề tài sản phẩm đồ giấy 103 Kết luận kiến nghị Kết luận Từ kết nghiên cứu trên, đề tài rút số kết luận sau: Bản đồ 3D với nội dung nh có nhiều ứng dụng lĩnh vực nh thiết kế xây dựng hạ tầng sở, quản lý thiên tai, viễn thông, hàng không, quân sự, du lịch, giáo dục Mặt khác nguyên tắc xây dựng thể đối tợng đồ 3D đợc áp dụng để đa sản phẩm chuyên biệt lĩnh vực Trên thị trờng có nhiều phần mềm với chức đồ họa, hiển thị 3D, tạo animation, lu trữ thuộc tính, phân tích không gian mức độ phát triển khác MicroStation ArcScene phần mềm ArcGis 9.1 Coreldraw đợc đánh giá cao đợc chọn công cụ để thành lập thử nghiệm đồ 3D MicroStation hiệu việc chuẩn bị liệu đầu vào ArcScene 9.1, Coreldraw trình bầy in ấn đẹp, bớc đầu cung cấp tơng đối đủ công cụ để hiển thị phân tích nội dung in ấn đồ 3D Bản đồ 3D sản phẩm mang tính định hớng ứng dụng cao Nội dung, cách thể yếu tố đồ không hoàn toàn cố định, bớc thiết kế khu đo, dựa mục đích sử dụng, điều kiện số liệu phơng pháp thành lập để định nội dung cách thể cụ thể đối tợng Thời gian thu thập tổ chức liệu, hiển thị biên tập nội dung đồ địa hình 3D dài so với biên tập đồ địa hình 2D số truyền thống nhiều lần Đối với đồ địa hình 3D mức độ chi tiết cao, việc thu thập liệu đòi hỏi nhiều thời gian nh kinh nghiệm tác nghiệp viên kỹ đồ họa lập thể Bản đồ 3D với chi phí thành lập tơng đối cao so với đồ truyền thống, đòi hỏi đầu t máy móc trang thiết bị ngời lớn 104 Kiến nghị Sau nghiên cứu chi tiết đồ 3D, ứng dụng kết thử nghiệm thành lập đồ du lịch 3D đa kiến nghị sau: Đề nghị tiến hành nghiên cứu thành lập ký hiệu đồ 3D công cụ ArcScene phục vụ cho việc thành lập đồ chuyên đề đồ địa hình Đề nghị đợc thử nghiệm thành lập đồ 3D phần mềm Imagine Virtual Gis ImaGIS để đa kết so sánh, đánh giá so với ArcScene xác thực tế Đề nghị tiến hành nghiên cứu thành lập đồ 3D môi trờng mạng Internet 105 Tài liệu tham khảo Nguyễn Thị Thục Anh (2004), Báo cáo tổng kết khoa học kỹ thuật, Nghiên cứu thử nghiệm thành lập đồ địa hình 3D, Viện nghiên cứu Địa chính, Hà nội Tăng Quốc Cơng (2003), Nghiên cứu sở khoa học xây dựng mô hình số độ cao phục vụ quản lý tài nguyên thiên nhiên, Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học Bộ Tài nguyên Môi trờng Thế Thị Phơng (2007), Album mầu phục vụ cho công tác biên tập đồ chuyên đề, Atlas máy tính chế điện tử, Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học, Nhà xuất Bản đồ, Hà nội Trần Trung Hồng (2001), Giáo trình Trình bầy đồ, Trờng Đại học Mỏ - Địa chất, Hà nội Vũ Bích Vân (2005), Giáo trình Bản đồ số, Hà nội Nguyễn Đình Dơng, Ph¹m Ngäc Hå, Eddy Nierynch, Luc Hens (1999), øng dơng Viễn thám Hệ thông tin địa lý quy hoạch Môi trờng, Hà nội M.J.Kraak & F.J.Ormeling (1996), Cartography visualization of spatial data England Kada, M: 3D Building Generalisation and Visualisation MGE Terrain Analyst (MTA) User’s Guide, Intergraph Corporation 10 Jacobsen, K DEM Generation by Spot HRS, Proceedings of XXth Congress of ISPRS, Istanbul, Turkey 11 Kelly L.Murdock, 3ds max bible 12 Gary Smith & Joshua Friedman, 3D GIS Technology whose time has come 13 Barry Bitters, An Open – Source Virtual Object Model for 3D GIS 14 Dan Hagens, Jeremiah Montgomery, Christopher Moore (2005), Developing Custom 3D Visualization Application for defense using arcgis 106 15 Using Digital Elevation Data to Create Soundscapes for Archaeology ... thành lập đồ 3D Chơng đa giải pháp công nghệ, phơng pháp thành lập đồ 3D, phần mềm làm 3D Chơng 4: ứng dụng thành lập đồ du lịch 3D khu vực đảo Phú Quốc ứng dụng kết nghiên cứu thành lập đồ du. .. - Nghiên cứu ứng dụng công nghệ 3D để thành lập đồ - Thành lập đồ du lịch 3D khu vực đảo Phú Quốc, sản phẩm đồ đợc in giấy Đối tợng phạm vi nghiên cứu - Đối tợng nghiên cứu công nghệ làm đồ 3D. ..Bộ Giáo dục đào tạo Trờng đại học mỏ-địa chất Bùi quốc việt nghiên cứu ứng dụng công nghệ 3D để thành lập đồ (Lấy ví dụ: Thành lập đồ du lịch 3D khu vực đảo Phú Quốc) Chuyên ngành: Bản đồ, viễn