sân bay công cụ để thiết lập một hệ thống phòng tránh các va chạm hàng không, cảnh báo tiếp cận sân bay và quản lý các chuyến bay. Việc bay mô phỏng dùng trong việc huấn luyện phi công cũng sẽ có tính hiện thực hơn nếu có các thông tin mô hình địa hình kết hợp với hệ thống định vị GPS thời gian thực đặt trên máy bay.
- Ứng dụng trong quân sự:
Trong quân sự bản đồ địa hình ba chiều có thể sử dụng phục vụ tác chiến, phân tích địa hình cho các hoạt động chiến trường như: phân tích tầm nhìn hay khả năng cơ động của các trang thiết bị cơ giới... Các ứng dụng tiêu biểu khác của DEM trong quân sự là phục vụ dẫn đường cho tên lửa và thiết kế mạng thông tin liên lạc. Các ứng dụng trong quân sự cũng đòi hỏi phải có các chức năng hiển thị mạnh như các công cụ hiển thị hình ảnh động trong các mô hình mô phỏng tác chiến.
- Ứng dụng trong du lịch:
Trong du lịch, việc tạo những tua du lịch ảo trên nền bản đồ địa hình ba chiều giúp khách hàng có khái niệm rõ ràng hơn về những nơi mình sẽ đến và cảnh quan ở đó, đây cũng là một cách tiếp cận thị trường hiệu quả. Khách du lịch có thể thực hiện việc quan sát ba chiều hay bay mô phỏng để tìm hiểu cảnh quan thiên nhiên của vùng được quan tâm. Họ cũng có thể được cung cấp các thông tin về cơ sở hạ tầng, khách sạn, các hoạt động vui chơi, giải trí ... nhờ các công cụ hỏi đáp của GIS
- Ứng dụng trong giáo dục:
Các ứng dụng trong giáo dục phần lớn dựa trên các sản phẩm multimedia hiển thị thế giới thực thiết kế riêng cho học sinh nhất là trong môn địa lý, lịch sử. Các sản phẩm này tăng khả năng tiếp thu bài giảng và gây được hứng thú rất lớn đối với học sinh.
3.2.2. Nguyên tắc chung trong xây dựng và hiển thị nội dung bản đồ địa hình ba chiều chiều
a. Vị trí hiển thị và tương quan giữa các đối tượng trong môi trường 3D
Trong môi trường ArcScene, các đối tượng hình học của bản đồ địa hình ba chiều được thể hiện trong không gian ba chiều theo hai nguyên tắc. Thứ nhất là bằng chính giá trị độ cao H thực của đối tượng nếu có. Cách thứ hai là sử dụng tọa độ X, Y của đối tượng còn độ cao thì được chiết xuất từ mặt DEM dựa trên tọa độ X, Y nói trên. Các nguyên tắc này không chỉ được áp dụng với các dữ liệu vector. Một file raster khi đã được nắn chỉnh thí dụ ảnh trực giao hay bản đồ quét đã nắn cũng có thể được phủ lên mặt DEM để tạo nền cho bản đồ địa hình ba chiều.
Trong dữ liệu vector 2D có ba loại đối tượng chính: điểm, đường, vùng còn đối với dữ liệu vector 3D ta có năm loại: điểm, đường, vùng, mặt và khối. Nếu phân tích kỹ hơn mối tương quan vị trí giữa các đối tượng đó với DEM ta có thể phân loại các đối tượng này chi tiết hơn:
- Điểm nằm ngay trên mặt DEM, ví dụ: điểm độ cao
- Điểm không nằm trên mặt DEM, ví dụ: điểm khống chế trắc địa gắn trên vật kiến trúc
- Đường nằm ngay trên mặt DEM, ví dụ: đường mòn, sông suối một nét
- Đường nằm trên không trung hoặc chìm sâu dưới mặt DEM, ví dụ: đường dây điện, đường cáp ngầm, ống dẫn ngầm
- Đường vuông góc với mặt DEM, ví dụ: cột điện, cây, cột tín hiệu ... - Mặt nằm trùng với mặt DEM, ví dụ: khu vực mặt sân, bãi cỏ
- Mặt nằm vuông góc với DEM, ví dụ: tường, hàng rào, thành luỹ - Khối nằm nổi trên mặt DEM, ví dụ: nhà, khối nhà
- Khối không nằm trên mặt DEM, ví dụ: nhà có kiến trúc đặc biệt, giàn khoan dầu
Các đối tượng địa hình phụ thuộc vào đặc điểm hình học, tính chất tự nhiên sẽ được phân loại theo các nhóm này. Mỗi nhóm được dựng lên trong môi trường 3D theo một nguyên tắc riêng dựa trên độ cao thực H của chúng hoặc bằng hai công cụ chính của ArcScene là Baseheight và Extrusion. Baseheight cho phép đẩy một đối tượng lên trên mặt DEM, các đối tượng không có tọa độ H thực sẽ được thể hiện dựa trên công cụ này. Còn Extrusion sẽ cho phép dựng các đối tượng lên vuông góc với mặt DEM theo một khoảng tuỳ biến, các đối tượng điểm sẽ được kéo lên thành đường, các đối tượng đường sẽ được dựng lên thành mặt, còn vùng sẽ được dựng thành khối.
Trong trường hợp một số đối tượng như các công trình xây dựng khối nhà, cầu ... cần thể hiện với độ chi tiết cao có thể đưa các mô hình thiết kế trong môi trường đồ họa 3D như AutoCad hay MicroStation vào Scene của ArcScene và hiển thị bằng tọa độ X, Y, H thực của chúng. Trong nhiều trường hợp các mô hình kiến trúc của đối tượng thí dụ một khối nhà tuy là lập thể chỉ được thiết kế trong phòng, thiếu khảo sát về độ cao địa hình thực địa, như thế độ cao của mô hình chỉ là tương đối, là độ cao riêng h của khối nhà. Khối nhà được coi là xây dựng trên nền có độ cao gốc Z=0. Để có thể đưa mô hình khối nhà vào thể hiện giữa các đối tượng địa hình khác chỉ cần xác định độ cao Z của nền khu vực xây dựng từ số liệu của mặt
DEM, lưu trữ độ cao này như một thuộc tính của khối nhà sau đó nâng cả khối nhà lên độ cao này bằng cách đưa giá trị offset vào nhờ giao diện của công cụ Baseheight trong ArcScene.
Các khối không nằm trên mặt DEM như các công trình kiến trúc đặc biệt, giàn khoan là đối tượng đặc biệt hiếm gặp. Chúng cũng có thể được thể hiện theo nguyên tắc này, tuy nhiên độ cao nền của đối tượng không thể chỉ đơn giản chiết xuất ra từ DEM mà đòi hỏi các số liệu đo đạc thực tế cụ thể.
Với công cụ này các đối tượng chỉ được hiển thị ảo trong ArcScene để tạo cảnh quan mô hình cho người khảo sát, chúng không tồn tại thực trong không gian 3D của Scene nên một số phép phân tích sẽ không tính đến các đối tượng này thí dụ công cụ phân tích tầm nhìn (line of sign) sẽ không “nhìn” thấy các khối nhà được dựng lên bằng công cụ Extrusion. Đối với các ứng dụng cần chức năng phân tích này, mô hình phải được bổ sung thêm thông tin 3D để có thể đưa ra câu trả lời chính xác (vấn đề này được đề cập chi tiết hơn ở mục 3.2.13).
b. Nguyên tắc xây dựng và sử dụng ký hiệu
Trong việc thể hiện nội dung bản đồ địa hình ba chiều, khi đối tượng được chọn thể hiện theo xu hướng ký hiệu hóa cao (symbolised) chứ không theo nguyên tắc hiển thị hình ảnh thực (photorealistic ) thì cần cố gắng sử dụng các ký hiệu tương tự với bản đồ địa hình hai chiều đã quen thuộc với người dùng bản đồ. Tuy nhiên trên bản đồ truyền thống chỉ sử dụng số lượng màu hạn chế để đơn giản hóa quá trình in ấn, còn bản đồ địa hình ba chiều có ưu thế của bản đồ số với khả năng sử dụng màu sắc đa dạng hơn cho hệ thống ký hiệu của mình.
Trong môi trường 3D của ArcScene, đối tượng dạng đường chỉ được thể hiện bằng đường nét liền liên tục. Các dạng đường “chấm-gạch” thông thường cũng như các kiểu đường tự thiết kế đều không thể hiện được trong ArcScene. Các đối tượng dạng đường chỉ có thể phân biệt bằng lực nét và màu sắc. Đây là một nhược điểm của ArcScene cần được chú ý khi thiết kế cách thể hiện các đối tượng của bản đồ địa hình ba chiều. Trường hợp nhất thiết phải dùng ký hiệu đường đặc biệt giống như trên bản đồ hai chiều để hiển thị, có thể đập (drop) các ký hiệu này thành các đường đơn giản (line) và thể hiện trong ArcScene. Dữ liệu thuộc tính sẽ được gắn với đối tượng gốc thể hiện bằng một đường đơn giản liên tục nằm dưới đường hiển thị và thể hiện bằng màu nhạt hơn phục vụ cho truy vấn thuộc tính.
c. Thông tin thuộc tính của đối tượng
Các dữ liệu của bản đồ địa hình ba chiều phần lớn đều được lưu trữ ở dạng Shape file. Bảng thuộc tính của các đối tượng gổm hai trường mặc định của Shape file là FID và SHAPE. Ngoài ra các đối tượng đều được gắn Feature Code theo qui
định về mã đối tượng địa hình, mã này được ghi trong trường Fcode. Hiện nay trong qui định số hóa bản đồ địa hình đã có đưa ra một bảng mã địa hình nhưng các mã này mới chỉ được tạo với mục đích đơn giản hóa và thống nhất ký hiệu đối tượng trong quá trình số hóa chứ chưa phải cho một hệ thống thông tin địa hình thống nhất. Trong tương lai, khi bảng mã địa hình được đưa ra thống nhất cho các hệ thống thông tin địa lý, các mã này có thể được đưa vào trường Fcode giúp quản lý đối tượng có hệ thống hơn và truy vấn thông tin nhanh hơn. Hiện tại, trong báo cáo này sẽ không đưa ra các qui định về mã địa hình của đối tượng.
Thuộc tính của các đối tượng được ghi trong bảng 2. Trường thứ ba - loại đối tượng sẽ được dùng để ghi tên của nhóm đối tượng ví dụ: đường bình độ; điểm độ cao; sông một nét, đường sắt ...Các trường tiếp theo sẽ ghi các thuộc tính khác của đối tượng. Một số đối tượng sẽ có rất nhiều thuộc tính trong khi các đối tượng khác chỉ có một thuộc tính hoặc thậm chí không có thuộc tính nào.
Có rất nhiều dạng thuộc tính cần lưu trữ để phục vụ cho truy vấn cũng như cho hiển thị, thí dụ:
- Tên riêng của đối tượng: tên sông, tên đường, tên khu dân cư... - Độ cao H thực của đối tượng: độ cao đường bình độ, điểm độ cao...
- Độ cao h riêng của đối tượng: chiều cao nhà, chiều cao cây, chiều cao cột... - Độ rộng của đối tượng: độ rộng đường, độ rộng sông, độ rộng cầu...
- Độ sâu của đối tượng: độ sâu của đường ngầm, bến lội... - Chiều dài của đối tượng: chiều dài cầu
- Trọng tải của đối tượng: trọng tải của cầu, phà,...
- Thời gian đặc trưng của đối tượng – hiện tượng: thời gian có nước của sông suối theo mùa, thời gian thông xe của đường ngầm, bến lội...
- Chất liệu đối tượng: đường nhựa, đường đá, cầu sắt, bê tông, gỗ, ... - Chất liệu đáy: bùn, cát, đá, sỏi ...
- Loại thực vật: rừng lá rộng, lá kim; lúa, rau màu... - Loại cây rừng: lim, thông, dừa ...
Vì vậy, mỗi loại đối tượng ngoài hai trường đầu tiên giống nhau như trình bày ở trên sẽ có các trường khác nhau lưu các thuộc tính khác nhau đặc trưng cho từng đối tượng.
SHAPE Fcode Đối tượng Tên đường Chất liệu Độ rộng mặt đường Độ rộng phần trải mặt Polygon 516 Đường giao thông
Lê Lợi Nhựa 16 14
Bảng 3.2: Bảng mẫu thuộc tính của các đối tượng đường giao thông
3.2.3. Các phương pháp thành lập bản đồ địa hình ba chiều
Về mặt nội dung bản đồ địa hình ba chiều tương tự như bản đồ địa hình hai chiều nhưng đòi hỏi một số thông tin bổ sung chi tiết hơn nhất là về kích thước của đối tượng trong chiều thứ ba của không gian. Các thông tin này có thể được thu thập bổ sung bằng hai cách: điều tra - đo vẽ thực địa hoặc đo vẽ lập thể trên trạm ảnh số. Và cũng như bản đồ địa hình hai chiều có nhiều phương pháp có thể áp dụng để thành lập bản đồ địa hình ba chiều: sử dụng ảnh máy bay; thành lập từ các nguồn số liệu viễn thám khác; thành lập sử dụng bản đồ địa hình hai chiều có sẵn hay thành lập bằng phương pháp đo đạc thực địa; thành lập bản đồ địa hình từ bay quét laze LiDAR.
Mỗi phương pháp có các ưu điểm và nhược điểm riêng, phù hợp với các tỷ lệ hay độ chi tiết khác nhau. Mặt khác nội dung của bản đồ địa hình ba chiều không cố định. Việc thu thập các dữ liệu chi tiết cho bản đồ ba chiều rất tốn công, chỉ với một yêu cầu tăng thêm về độ chi tiết của một nhóm đối tượng có thể dẫn đến chi phí thành lập bản đồ tăng rất cao. Nên bước đầu tiên mà dù theo phương pháp thành lập nào cũng cần tiến hành là thiết kế nội dung bản đồ trong đó một trong những chi tiết quan trọng cần phải quyết định là hình thức thể hiện nhà và các công trình xây dựng trong khu dân cư.
Tùy vào mục đích sử dụng, tỷ lệ và phương pháp thành lập, các thông tin về đối tượng có thể thu thập được, thời gian thực hiện và chi phí cho phép mà qui định nội dung cụ thể của bản đồ địa hình ba chiều cho từng khu đo một cách linh hoạt và sau đó đưa ra một qui trình cụ thể trong từng khu đo. Tuy nhiên có thể điểm ra các bước chính áp dụng cho mọi phương pháp thành lập bản đồ địa hình ba chiều như sau:
- Thiết kế nội dung: xác định nội dung, chọn lựa và qui định cách thể hiện cụ thể cho từng đối tượng bản đồ địa hình ba chiều của khu đo.
- Tạo dữ liệu đồ họa nền 2D tương tự như bản đồ địa hình truyền thống.
- Nếu có điều kiện tạo dữ liệu 3D thực (đo vẽ lập thể hay đo đạc ngoại nghiệp) thì thu thập các dữ liệu này thay vì dữ liệu 2D. Ở bước tiếp theo, chúng có thể dùng để hiển thị trực tiếp trong môi trường lập thể của bản đồ địa hình ba chiều mà không cần bổ sung thêm thông tin.
- Thu thập các thông tin thuộc tính từ các nguồn tài liệu có sẵn hoặc thông qua điều vẽ ngoại nghiệp.
- Gắn kết các thông tin thuộc tính với dữ liệu đồ họa.
- Hiển thị các nội dung bản đồ địa hình ba chiều trong môi trường lập thể dựa trên nền DEM, các dữ liệu đồ họa 3D thực (nếu có) và các dữ liệu thuộc tính của đối tượng theo các nguyên tắc được đề cập chi tiết ở mục 3.2.