Luận văn Ứng dụng gis trong quản lý quy hoạch xây dựng

1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN VĂN TUẤN ỨNG DỤNG GIS TRONG QUẢN LÝ QUY HOẠCH XÂY DỰNG LUẬN VĂN THẠC SỸ Hà Nội – 2011 2 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết quả đạt được trong luận văn là sản phẩm của riêng cá nhân tôi. Những điều được trình bày trong toàn bộ nội dung của luận văn, hoặc là của cá nhân hoặc là được tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có xuất xứ rõ ràng và được trích dẫn hợp pháp. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm theo quy định cho lời cam đoan của mình. Hà Nội, ngày 11 tháng 5 năm 2011 Người cam đoan Nguyễn Văn Tuấn 3 LỜI CẢM ƠN Trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn tốt nghiệp, tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ, động viên từ thầy cô, gia đình và bạn bè. Tôi muốn bày tỏ sự cảm ơn sâu sắc của mình tới tất cả mọi người. Tôi xin bày tỏ sự cám ơn đặc biệt tới TS Nguyễn Ngọc Hóa, người đã định hướng cho tôi trong lựa chọn đề tài, đưa ra những nhận xét quý giá và trực tiếp hướng dẫn tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn tốt nghiệp. Tôi xin cảm ơn các thầy cô trong khoa CNTT - Trường Đại học Công nghệ - ĐHQG Hà Nội đã dạy bảo tận tình cho tôi trong suốt khoảng thời gian học tập tại trường. Tôi xin cảm ơn toàn thể bạn bè đồng nghiệp tại Trung tâm Cơ sở dữ liệu và Hệ thống thông tin – Trung tâm Viễn thám Quốc gia, đơn vị mà tôi đang công tác, đã chia sẻ, giúp đỡ tạo điều kiện cho tôi tham gia khoá học và hoàn thành khoá luận này. Xin cảm ơn tất cả những bạn bè đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và công tác. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất tới gia đình của mình, nguồn động viên và cổ vũ lớn lao và là động lực giúp tôi thành công trong công việc và trong cuộc sống. Hà Nội, ngày 11 tháng 5 năm 2011 Nguyễn Văn Tuấn 4 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN................................................................................................................. 1 LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................................... 3 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................................... 6 DANH MỤC HÌNH.............................................................................................................. 7 MỞ ĐẦU .............................................................................................................................. 8 Chương 1. Tổng quan về GIS và GIS 3D.......................................................................... 10 1.1 Khái niệm cơ bản về hệ thống thông tin địa lý....................................................................10 1.2 Các thành phần của GIS.....................................................................................................11 1.3 Các chức năng của GIS......................................................................................................11 1.4 GIS 3D..............................................................................................................................14 1.4.1 Một số khái niệm cơ bản ................................................................................................15 1.4.1.1 Mô hình độ cao số..........................................................................................................15 1.4.1.2 Mô hình địa hình số .......................................................................................................15 1.4.1.3 Mô hình bề mặt số .........................................................................................................15 1.4.2 Lưu trữ dữ liệu 3D .........................................................................................................15 1.4.3 Khái niệm về cấp độ chi tiết ...........................................................................................17 1.4.4 Biểu diễn đối tượng 3D ..................................................................................................18 1.4.4.1 Điểm .............................................................................................................................18 1.4.4.2 Đường thẳng ..................................................................................................................18 1.4.4.3 Mặt phẳng......................................................................................................................19 1.4.4.4 Đường cong ...................................................................................................................20 1.4.4.5 Hình khối.......................................................................................................................23 1.5 Một số ứng dụng của mô hình địa hình số 3D ....................................................................24 1.5.1 Các ứng dụng trong việc giám sát và phát hiện tài nguyên..............................................24 1.5.2 Các ứng dụng trong xây dựng cơ sở hạ tầng và viễn thông .............................................24 1.5.3 Các ứng dụng trong lĩnh vực quốc phòng .......................................................................25 1.6 Tình hình ứng dụng GIS ở Việt Nam .................................................................................25 1.7 Kết luận.............................................................................................................................27 Chương 2. Công tác quản lý quy hoạch xây dựng đô thị và ứng dụng của GIS.............. 28 2.1 Thực trạng công tác quản lý quy hoạch xây dựng và quản lý đô thị ....................................28 2.1.1 Sơ đồ trình tự lập đồ án quy hoạch .................................................................................30 2.1.2 Một số nhân tố tác động đến công tác lập đồ án quy hoạch .............................................30 2.1.3 Các khó khăn trong công tác quản lý quy hoạch xây dựng và đô thị hiện nay..................31 2.2 Ứng dụng GIS trong quản lý quy hoạch xây dựng và đô thị................................................32 2.2.1 Quản lý nhà nước...........................................................................................................33 2.2.2 Xây dựng cơ sở dữ liệu nền và chuyên ngành.................................................................34 2.2.3 Tạo, lập các báo cáo.......................................................................................................34 2.2.4 Cải thiện chất lượng và số lượng thông tin địa lý............................................................35 5 2.3 Sự cần thiết của GIS 3D trong quy hoạch quản lý đô thị .....................................................36 2.4 Kết luận.............................................................................................................................37 Chương 3. Phát triển thử nghiệm hệ thống và đánh giá kết quả thu được...................... 38 3.1 Yêu cầu đặt ra....................................................................................................................38 3.2 Thiết kế hệ thống ...............................................................................................................40 3.2.1 Kiến trúc tổng thể của hệ thống......................................................................................40 3.2.2 Mô hình phân cấp chức năng của phân hệ GIS 3D..........................................................41 3.2.3 Sơ đồ luồng dữ liệu ........................................................................................................42 3.3 Xây dựng mô hình 3D từ dữ liệu 2D ..................................................................................43 3.3.1 Phép nội suy ..................................................................................................................43 3.3.2 Xây dựng bề mặt địa hình 3D.........................................................................................44 3.4 Các kết quả đạt được .........................................................................................................47 3.4.1 Xây dựng mô hình địa hình số........................................................................................47 3.4.2 Xây dựng bản đồ hiện trạng địa hình 3D và các thuộc tính từ 2D....................................48 3.4.3 Xây dựng mô hình 3D hoá các bản vẽ AutoCAD ...........................................................51 3.4.4 Quản lý kiểm soát không gian ........................................................................................51 3.4.5 Quy hoạch kiến trúc cảnh quan ......................................................................................57 3.4.6 Phân vùng không gian....................................................................................................58 3.5 Kết luận.............................................................................................................................59 Chương 4. Kết luận và hướng phát triển .......................................................................... 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 62 6 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT GIS Geographical Information System Hệ thống thông tin địa lý 2D Two Dimension Hai chiều 3D Three Dimension Ba chiều CSDL Cơ sở dữ liệu DBMS Database Management System Hệ quản trị Cơ sở dữ liệu DEM Digital Elevation Model Mô hình độ cao số DTM Digital Terrain Model Mô hình địa hình số DSM Digital Surface Model Mô hình bề mặt số ESRI Environmental Systems Research Institute Viện nghiên cứu các hệ thống về môi trường UBND Ủy ban nhân dân 7 DANH MỤC HÌNH Hình 1. Các thành phần cơ bản của GIS ..........................................................................11 Hình 2. Cấp độ chi tiết LoD đối với các đối tượng nhà, khối nhà .....................................18 Hình 3. Dạng tham số của phương trình đường thẳng ......................................................18 Hình 4. Vật thể ba chiều được biểu diễn bằng mô hình khung nối kết ..............................23 Hình 5. Phân tích đa tiêu chí (khu vực nhiều tiếng ồn, vùng ngập lụt)..............................26 Hình 6. Sử dụng GIS đánh giá mức độ tiếng ồn và dự báo ô nhiễm nguồn nước ..............26 Hình 7. Trình tự lập đồ án quy hoạch ..............................................................................30 Hình 8. Kiến trúc tổng thể của hệ thống Quản lý quy hoạch xây dựng .............................41 Hình 9. Mô hình phân cấp chức năng của phân hệ GIS 3D ..............................................42 Hình 10. Luồng dữ liệu của phân hệ GIS 3D..................................................................42 Hình 11. Quy trình tạo dữ liệu 3D từ dữ liệu 2D ............................................................44 Hình 12. Bản đồ đường đồng mức thị xã Đồ Sơn ...........................................................47 Hình 13. Bản đồ bề mặt địa hình 3D ..............................................................................48 Hình 14. Chồng xếp các lớp đường đồng mức, bản đồ bề mặt và lớp điểm.....................48 Hình 15. Tạo mô hình 3D từ dữ liệu 2D và thuộc tính....................................................49 Hình 16. Mô hình 3D thể hiện màu sắc theo thuộc tính ..................................................51 Hình 17. Chuyển đổi từ dạng dữ liệu và mặt bằng sang 3D ............................................51 Hình 18. Hình ảnh đánh dấu tầng cao công trình trên mặt bằng (nếu cần chi tiết) ...........52 Hình 19. Hình ảnh đánh dấu tầng cao trung bình của lô đất (không cần chi tiết).............52 Hình 20. Thống kê công trình và lô đất toàn bộ bản vẽ...................................................53 Hình 21. Thống kê công trình trên 1 loại đất. .................................................................53 Hình 22. Thống kê mật độ xây dựng theo khu vực. ........................................................54 Hình 23. Thống kê về hạ tầng kỹ thuật...........................................................................54 Hình 24. Thống kê để tìm các đối tượng vi phạm vùng cấm...........................................55 Hình 25. Kiểm tra vi phạm chiều cao bằng phương pháp 3D (H>=50m) ........................55 Hình 26. Kiểm tra nhiều điều kiện bằng phương pháp thống kê và đánh dấu..................56 Hình 27. Kiểm tra trường nhìn của người khi tham gia giao thông, với 1 góc nhìn thông thường T=30,D=45,N=120 bằng phương pháp hình nón quan sát. ..............................56 Hình 28. Mô hình khu đô thị 13-5 và tuyến đường thiết kế ............................................57 Hình 29. Không gian trống, cây xanh.............................................................................58 Hình 30. Các khu thấp tầng............................................................................................58 8 MỞ ĐẦU Hiện nay, hiện trạng đô thị luôn biến động trong khi nhu cầu của các cấp lãnh đạo cũng như của người dân về một về một thành phố ngày càng văn minh hiện đại và trật tự đã đặt ra cho các cơ quan quản lý những trách nhiệm nặng nề. Đặc biệt là trong việc quản lý cơ sở hạ tầng như: quản lý đất đai, giao thông đô thị, quy hoạch kiến trúc... đang có những đòi hỏi cấp bách về việc nâng cao năng lực quản lý. Nhiệm vụ này chỉ có thể được hoàn thành tốt nếu có các công cụ quản lý tiên tiến và phù hợp, được xây dựng trên nền tảng CSDL không gian với độ chính xác cao, có tính đồng bộ, đảm bảo mức độ chi tiết và tính cập nhật. Hiện tại Sở Quy hoạch Kiến trúc thường chỉ sử dụng các bản đồ hiện trạng, bản đồ quy hoạch dưới dạng bản đồ phẳng hai chiều phục vụ cho các công việc chuyên môn của Sở. Các đối tượng được biểu diễn trên các bản đồ hai chiều không trực quan và đòi hỏi người sử dụng phải có kiến thức chuyên môn về bản đồ, ngoài ra khả năng biểu diễn về kiến trúc và mối quan hệ tương quan giữa các đối tượng bị hạn chế rất nhiều. GIS 3D là một công nghệ mới ở Việt Nam nhưng đã được các nước tiên tiến ứng dụng rộng rãi từ vài chục năm gần đây. Công nghệ này tạo ra các sản phẩm số với độ chính xác cao, khả năng linh động lớn và chia sẻ thông tin dễ dàng. Chính các đặc điểm này làm cho công nghệ GIS 3D trở thành công nghệ rất hiệu quả và được ứng dụng rộng rãi. Trong lĩnh vực quản lý và quy hoạch đô thị, GIS 3D có rất nhiều ứng dụng mà điển hình là: xây dựng mô hình địa hình số (DTM), xây dựng mô hình bề mặt số (DSM), theo dõi quản lý cơ sở hạ tầng đô thị như: đường giao thông, đường điện, thoát nước; quản lý và quy hoạch xây dựng đô thị; quản lý và quy hoạch sử dụng đất đô thị; quản lý và quy hoạch kiến trúc đô thị. Nhìn chung, các ứng dụng của công nghệ này rất đa dạng và mang lại hiệu quả cao. Công nghệ này cũng mở ra khả năng xây dựng mô hình cảnh quan kiến trúc ba chiều của thành phố một cách nhanh chóng và chính xác. Thực tế cho thấy hầu hết các ứng dụng trong quản lý và quy hoạch đô thị đều sử dụng mô hình địa hình số (DTM) và mô hình số mặt đất (DSM) như một 9 đầu vào cơ bản. Trong khi đó, dữ liệu đầu vào để giải các toán này lại có một số hạn chế như đã trình bày ở trên. Hiện trạng này làm cho các đơn vị được giao nhiệm vụ gặp rất nhiều khó khăn trong quá trình thực thi: nếu thụ động chờ đến khi nguồn dữ liệu đầu vào được xây dựng như mong muốn thì sẽ không hoàn thành đúng thời hạn. Nếu tự nâng cấp dữ liệu thì gặp khó khăn rất lớn về kinh phí và nguồn lực, nếu chỉ sử dụng dữ liệu hiện có thì kết quả sẽ có nhiều hạn chế. Việc ứng dụng phần mềm quản lý qui hoạch sẽ cho phép cập nhật kịp thời thông tin qui hoạch xây dựng, bổ sung vào nguồn dữ liệu hiện trạng phục vụ kịp thời cho công tác cấp phép thẩm định qui hoạch. Sử dụng công nghệ GIS 3D cho phép hiển thị trực quan cảnh quan kiến trúc đô thị phục vụ công tác quản lý qui hoạch theo chiều cao. Nhanh chóng bổ sung vào nguồn dữ liệu 2D hiện có của bản đồ địa hình và qui hoạch. Trên cơ sở này tôi chọn đề tài: “Ứng dụng GIS trong quản lý quy hoạch xây dựng” nhằm nghiên cứu và đẩy mạnh ứng dụng GIS trong công tác quản lý và quy hoạch xây dựng đô thị. Những kết quả chính của luận văn đã được tổng hợp, trình bày trong các chương chính sau: Chương 1 trình bày tổng quan về hệ thống thông tin địa lý và mô hình GIS 3D: khái niệm chung, chức năng cũng như cấu trúc của một hệ thống thông tin địa lý, các khái niệm cơ bản về GIS 3D và ứng dụng của hệ thống thông tin địa lý GIS. Chương 2 trình bày sự cần thiết và khả năng ứng dụng GIS trong quản lý quy hoạch xây dựng ở Việt Nam: đưa ra các khái niệm, thực trạng và ứng dụng của hệ thống thông tin trong lĩnh vực quản lý xây dựng. Các quy trình, nội dung và các yếu tố ảnh hưởng đến quy hoạch xây dựng đô thị. Chương 3 trình bày giải pháp công nghệ, phát triển thử nghiệm hệ thống quản lý quy hoạch xây dựng ứng dụng công nghệ GIS 3D và nêu rõ những kết quả đạt được. Chương 4 trình bày kết luận và hướng phát triển của đề tài. Sau đây là chi tiết nội dung của từng chương. 10 Chương 1. Tổng quan về GIS và GIS 3D Hệ thống thông tin địa lý (Geographic Information System – GIS) là một hệ thống thông tin trên máy tính được sử dụng để số hóa các đối tượng địa lý thực cũng như các sự kiện liên quan (các thuộc tính phi không gian liên kết với không gian địa lý) tạo thành dữ liệu địa lý, từ đó cung cấp các công cụ cho phép phân tích, đánh giá và khai thác các dữ liệu địa lý đó. "Mọi đối tượng có mặt trên trái đất đều có thể biểu diễn trong hệ thống thông tin địa lý", đây là chìa khóa căn bản liên kết bất kỳ cơ sở dữ liệu nào với hệ thống GIS. Bắt đầu xuất hiện vào cuối những năm 1950, nhưng phần mềm GIS đầu tiên chỉ xuất hiện vào cuối những năm 1970 từ phòng thí nghiệm của Viện nghiên cứu môi trường Mỹ (ESRI). Lịch sử phát triển của GIS đã thay đổi cách mà các nhà quy hoạch, kỹ sư, nhà quản lý… làm việc với cơ sở dữ liệu và phân tích dữ liệu. 1.1 Khái niệm cơ bản về hệ thống thông tin địa lý Có nhiều quan niệm khác nhau khi định nghĩa hệ thống thông tin địa lý: "Hệ thông tin địa lý là một hệ thống thông tin bao gồm một số hệ con (subsystem) có khả năng biến đổi các dữ liệu địa lý thành những thông tin có ích" – theo định nghĩa của Calkin và Tomlinson, 1977. "Hệ thông tin địa lý là một hệ thống quản trị cơ sở dữ liệu bằng máy tính để thu thập, lưu trữ, phân tích và hiển thị không gian" (theo định nghĩa của National Center for Geographic Information and Analysis, 1988). Theo định nghĩa của ESRI (Environmental System Research Institute) thì “Hệ thông tin địa lý là một tập hợp có tổ chức bao gồm phần cứng, phần mềm máy tính, dữ liệu địa lý và con người, được thiết kế nhằm mục đích nắm bắt, lưu trữ, cập nhật, điều khiển, phân tích và kết xuất”. Cho đến nay, định nghĩa được nhiều người sử dụng nhất là: hệ thống thông tin địa lý là một hệ thống kết hợp giữa con người và hệ thống máy tính cùng các 11 thiết bị ngoại vi để lưu trữ, xử lý, phân tích, hiển thị các thông tin địa lý để phục vụ một mục đích nghiên cứu nhất định. 1.2 Các thành phần của GIS Một hệ thống GIS gồm có 5 thành phần cơ bản sau: 1. Phần cứng. 2. Phần mềm. 3. Con người. 4. Dữ liệu. 5. Các quy trình. Hình 1. Các thành phần cơ bản của GIS 1.3 Các chức năng của GIS Bất kỳ một hệ thống thông tin địa lý nào cũng phải có sáu chức năng cơ bản để giải quyết hiệu quả các vấn đề trong thế giới thực. Sáu chức năng đó là:  Thu thập dữ liệu.  Lưu trữ dữ liệu.  Truy vấn dữ liệu.  Phân tích dữ liệu.  Hiển thị dữ liệu.  Xuất dữ liệu. 12 Thu thập dữ liệu Dữ liệu mô tả các đối tượng địa lý được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu địa lý. Cơ sở dữ liệu địa lý là một thành phần có chi phí xây dựng c