13/04/2019

Công nghệ “Thành phố ảo” trong quy hoạch và quản lý đô thị tại Việt Nam

Với tốc độ phát triển nhanh chóng của các thành phố lớn, đòi hỏi công tác quy hoạch đô thị phải càng nhanh chóng, hiệu quả. Trước đây, việc quy hoạch đô thị chủ yếu dựa vào bản đồ hiện trạng dạng 2D gây không ít khó khăn cho các nhà quản lý và cán bộ quy hoạch. Hiện nay, việc nghiên cứu thành phố ảo 3D phục vụ cho công tác mô hình hóa bề mặt và định hướng trong quy hoạch không gian đã và đang được đầu tư nghiên cứu và phát triển. Mô hình thành phố ảo có tính trực quan cao, từ đó giúp cung cấp những cảm nhận trực quan về không gian và mối quan hệ giữa các thực thể địa lý trong khu vực. Từ đó, có thể thực hiện xây dựng các kịch bản quy hoạch lãnh thổ, xác định tính ưu việt của từng kịch bản và hỗ trợ cho quá trình đưa ra các quyết định quy hoạch một cách chính xác và đạt hiệu quả kinh tế cao. 

Khu đô thị mới xây dựng tại  TP Hải Phòng

Khu đô thị mới xây dựng tại TP Hải Phòng

Ứng dụng mô hình thành phố ảo 3D trong quy hoạch đô thị

Trong những năm gần đây cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ 4 với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ đã làm thay đổi nhanh chóng các phương pháp mô hình hóa bề mặt và ứng dụng của nó. Với sự trợ giúp của công nghệ tin học, các hệ thống 3D GIS đã được nghiên cứu, xây dựng và phát triển. Các hệ thống 3D GIS này thường mô hình hóa bề mặt lãnh thổ thông qua DEM (Digital Elevation Model) kết hợp với các ký hiệu mô phỏng đối tượng trên bề mặt trái đất với các cấp độ chi tiết (LoD – Level of Detail) khác nhau đã làm cho việc ứng dụng 3D GIS trong công tác quy hoạch ngày càng phổ biến hơn. Đặc biệt, sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ và các thiết bị điện tử hiện đại đã làm cho việc xây dựng cơ sở dữ liệu và hiển thị trong mô hình ảo ngày càng được nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm nghiên cứu. Các mô hình ngày nay không chỉ là 3D mà còn được tích hợp thêm nhiều chiều trong không gian 3D để có thể tăng tính thực tế của mô hình hơn chẳng hạn tích hợp thêm chiều thời gian để mô phỏng các diễn biến sẽ xảy ra trong tương lai được gọi là 4D, đến nay, sự phát triển của khoa học kỹ thuật đã ra đời công nghệ 5D GIS (Rita Yi Ma Li, 2017). Công nghệ này đã và đang được nghiên cứu kết hợp với công nghệ thực tế ảo nhằm xây dựng các mô hình di sản ảo, thành phố ảo. Có thể nói đây là mô hình sẽ mang lại phương pháp tiếp cận mới cho các nhà khoa học trong các lĩnh vực như: sử học, kinh tế học, xã hội học, và đặc biệt là các nhà quy hoạch đô thị. Các mô hình này chính là nền tảng để triển khai xây dựng các mô hình thành phố ảo (Cyber city) và tiến tới là thành phố thông minh (Smart city) đã và đang được nghiên cứu, ứng dụng trong công tác quy hoạch của nhiều nước trên thế giới.

Mô hình thành phố ảo 3D (3DCM) được hiểu là biểu diễn kỹ thuật số của các thành phố thực có thể được điều hướng và khám phá tương tác bởi người dùng trên thiết bị máy tính và dựa trên dữ liệu không gian địa lý. Như vậy, thành phố ảo 3D nhấn mạnh vào ba khía cạnh quan trọng sau: (1) Mô hình thành phố ảo 3D cung cấp một phương tiện truyền thông tương tác, một không gian ảo, cho phép người dùng khám phá các mô hình hóa của môi trường đô thị thực sự; (2) Mô hình thành phố ảo 3D bao gồm ba thành phần cơ bản: Dữ liệu không gian địa lý, các hệ thống trực quan biến đổi dữ liệu thành các mô hình hóa 3D tương tác và phần cứng máy tính; (3) Mô hình thành phố ảo 3D là không gian địa lý, tức là vị trí thực của bất kỳ đối tượng nào được mô tả trong mô hình dữ liệu và được hiển thị là đối tượng 3D.

Mô hình thành phố ảo 3D thu thập các dữ liệu hiện trạng đô thị bao gồm:

Công trình xây dựng (nhà cao tầng, nhà thấp tầng, nhà xưởng): Vấn đề then chốt trong quá trình hoạch định là khái niệm chiều cao và mật độ xây dựng các kế hoạch đề xuất. Quy hoạch tổng thể và phiên bản kế hoạch đã liên tục tích hợp vào Mô hình 3DCM để cung cấp hình ảnh mô phỏng trong quá trình quy hoạch.

– Phương pháp thứ nhất, mô hình mở rộng được sử dụng để tạo mô hình khối nhà 3D từ dấu chân công trình xây dựng (CSDL nhà cao tầng) và thông tin chiều cao tòa nhà. Phương pháp này được áp dụng hiệu quả cho các toà nhà cao tầng. Để đảm bảo một hình ảnh chiều cao chính xác, chiều cao tòa nhà là thông tin thuộc tính của CSDL nhà cao tầng. Các mô hình khối 3D được mô phỏng từ các dữ liệu này, có thể truy vấn, được tô màu hoặc kết cấu cho mái và các mặt. Hơn nữa, chiều cao của các mô hình khối có thể được thao tác và các thuộc tính có thể được chỉnh sửa. Quy trình từ bản quy hoạch thành phố đến số hóa, cập nhật thông tin và lồng ghép vào các mô hình thành phố 3D trên nền địa hình quy hoạch.

– Phương pháp thứ hai, mô hình 3D được xây dựng từ phần mềm SketchUp để tạo ra hình ảnh 3D với nhiều yếu tố hình học và chi tiết trong các ứng dụng bên ngoài. Các tính năng kế hoạch được phân loại thành các nhóm (các tòa nhà, các đối tượng vận chuyển, và các đối tượng thực vật), và chiều cao của tòa nhà trên mặt đất và chiều cao cơ sở đã được thêm vào những dấu chân tòa nhà như là thuộc tính trong môi trường GIS. Sau đó được chuyển từ GIS vào phần mềm mô hình 3D. Các mô hình 3D được nhập vào thông qua định dạng *.3ds, *.dae và vị trí thích hợp được đảm bảo bằng cách đặt vào điểm trung tâm của khung tòa nhà.

Đường giao thông (trục chính, đường đê, vỉa hè)

Tích hợp mô hình nhà x Đường giao thông (trục chính, đường đê, vỉa hè)

Tích hợp mô hình nhà x Đường giao thông (trục chính, đường đê, vỉa hè)

Các lớp đối tượng giao thông, đường đê, vỉa hè sau khi được số hóa trên phần mềm ArcGIS thành CSDL sẽ được tích hợp vào mô hình thành phố 3D. Trên phần mềm 3D có các chức năng để nhập và trình bày các lớp đối tượng này. Phần mềm cho phép chọn tô màu hoặc kết cấu của đối tượng.

Ngoài ra, trên mô hình thành phố ảo phải tích hợp đầy đủ thông tin của các lớp: công viên, cây xanh, mặt nước, đối tượng động, công trình thoát nước, đường dây điện…

Thông tin thuộc tính đối tượng

Trong trường hợp của mô hình 3D, thông tin được bổ sung vào dữ liệu trước đó, bị mất trong quá trình xuất và nhập dữ liệu thuộc tính. Có thể thêm thông tin này bằng tay trong hệ thống sau khi nhập dữ liệu. Tuy nhiên, phương pháp này là tốn nhiều thời gian và dễ bị lỗi. Vì lý do này, ngoài mô hình 3D của các tòa nhà đã được chuyển đổi mô hình 3D sử dụng chức năng của hệ thống soạn thảo, một chức năng được phát triển để chuyển thuộc tính từ những dấu chân toà nhà trên một không gian. Các chức năng tương tự được sử dụng để chuyển thông tin địa chỉ và xây dựng dữ liệu từ bản đồ địa chính cho các tòa nhà.

Với những tiền đề xem xét, các 3DCM phải được kết luận rằng một mức độ phát triển đã đạt được, cho phép chúng tôi nắm bắt, xử lý, quản lý, và hình dung hình học chính xác và 3DCM trực quan hấp dẫn bao gồm dữ liệu địa hình, mô hình xây dựng 3D từ LoD2 đến LoD3 với kết cấu mặt tiền, và ảnh bề mặt độ phân giải cao,… Khả năng này cung cấp các nền tảng cho việc thực hiện ứng dụng sáng tạo của các mô hình 3DCM và các dữ liệu mô hình thành phố 3D tương ứng có thể được sử dụng để hỗ trợ quá trình trao đổi thông tin trong quy hoạch và quản lý đô thị cũng như để tiến hành phân tích 3D phức tạp. Trên thực tế, các mô hình thành phố 3D ngày càng được quan tâm và nhiều đô thị hiện nay sở hữu một mô hình thành phố 3D. Tuy nhiên, các mô hình này hiện vẫn thường được sử dụng trong một bối cảnh hạn chế cho vài dự án được lựa chọn nhưng không được sử dụng hàng ngày trong quy trình công việc của thành phố. Các chức năng sử dụng của 3DCM: Trình diễn & báo cáo, Phân tích & Mô phỏng và Hỗ trợ ra quyết định.

Trình diễn & Báo cáo: Việc sử dụng các 3DCM cho các bài thuyết trình báo cáo các dự án xây dựng, đề xuất thiết kế đô thị, các kịch bản quy hoạch, dữ liệu về môi trường, dữ liệu kinh tế, và các quy trình không gian trong bối cảnh của 3DCM rõ ràng là một ý tưởng hấp dẫn trung tâm cho sự phát triển.

Trên phần mềm 3D cho phép người dùng xây dựng các kịch bản gồm các hiệu ứng: Vị trí địa lý; Tạo hoạt cảnh đối tượng chuyển động; Mô phỏng quá trình xây dựng tòa nhà… để trình chiếu, thuyết trình kế hoạch quy hoạch.

Phân tích & Mô phỏng: Đối với nhà thiết kế đô thị, ứng dụng quan trọng nhất dựa trên các mô hình thành phố 3D là phân tích trực quan. Trong không gian 3D môi trường ảo động, thông qua việc tính toán tầm nhìn qua mô phỏng tầm nhìn của con người và phân tích trực quan cho các khu vực có thể nhìn thấy để làm cho quá trình thiết kế thực tế và khoa học hơn.

Thông qua việc hạn chế chiều cao của khu vực, việc kiểm soát khoảng cách các tòa nhà với đường phố, hoặc kiểm soát không gian mở, các nhà thiết kế có thể trình bày đầy đủ kết quả thiết kế đô thị kiểm soát và phân tích một cách hiệu quả về chất lượng hình ảnh của không gian đô thị.

Khả năng quan sát hay tầm nhìn, chất lượng hình ảnh là điều hiển nhiên trong các tài liệu và thực hành của các nhà quy hoạch cảnh quan và thiết kế. Các lĩnh vực có thể nhìn thấy bằng mắt mức độ nhất định và góc nhìn – có thể được tính toán, và nó là lĩnh vực chúng ta có thể nhìn thấy ở một số điểm quan sát. Tính toán tầm nhìn là tiền đề của việc phân tích trực quan.

Hỗ trợ ra quyết định: Khả năng hình dung thay đổi kết cấu đô thị và trải nghiệm những thay đổi trong bối cảnh thực tế cho phép các nhà quy hoạch và thiết kế đánh giá lựa chọn thay thế nhanh chóng, chi tiết hơn, và chi phí thấp hơn thông qua phân tích truyền thống.
Trong việc di chuyển từ trừu tượng đến cụ thể hơn, ứng dụng 3DCM cung cấp các nhà quy hoạch và thiết kế các công cụ để xem xét rõ hơn về không gian ba chiều trong quá trình thiết kế, cũng như kiểm soát tốt hơn quá trình hình thức không gian đô thị của thành thị và cho phép nhiều người tham gia.

Thực nghiệm xây dựng mô hình thành phố ảo 3D phục vụ công tác quản lý khu đô thị công nghiệp Kiến Thụy (TP Hải Phòng)

image003

Khu vực nghiên cứu

Khu vực nghiên cứu Dự án nằm trong địa giới hành chính các xã Ngũ Phúc, Kiến Quốc và Tân Trào (huyện Kiến Thụy, thành phố Hải Phòng). Khu đất thực hiện dự án chủ yếu là đất nông nghiệp trồng lúa và nuôi trồng thủy sản. Cao độ nền hiện trạng từ +0.70m đến +2.80m. Quy mô dự án: Xây dựng hạ tầng kỹ thuật Khu đô thị và công nghiệp Kiến Thụy với diện tích khoảng 912,83ha;

Nhiệm vụ quy hoạch:

– Xác định các mối quan hệ hữu cơ về tính chất, chức năng, nhiệm vụ của khu vực nghiên cứu quy hoạch trong tổng thể Khu công nghiệp.

– Xây dựng quy hoạch chi tiết sử dụng đất.

– Đề xuất các giải pháp cụ thể về quy hoạch tổ chức không gian, thiết kế đô thị và quy hoạch hệ thống hạ tầng kĩ thuật.

Nội dung quy hoạch Khu đô thị và công nghiệp Kiến Thụy: Xây dựng Khu đô thị và công nghiệp Kiến Thụy với tổng diện tích 922,83 ha, đạt tiêu chuẩn khu đô thị và công nghiệp quốc tế hiện đại với các chức năng như sau: Khu đô thị, các công trình hạ tầng kỹ thuật, các công trình tiện ích công cộng, khu công nghiệp sinh thái, xây dựng khu nhà ở cho công nhân kết hợp thương mại dịch vụ để phục vụ cho người lao động trong khu công nghiệp.

Xây dựng nền địa hình 3D

Mô hình 3DCM phục vụ tính toán tầm nhìn

Mô hình 3DCM phục vụ tính toán tầm nhìn

Để xây dựng mô hình 3DCM 3D cần ảnh phủ địa hình độ phân giải cao. Ảnh phủ địa hình được chụp từ thiết bị UAV Phantom 3 kèm camera chụp ảnh FC300S và các thiết bị phụ trợ khác. Độ phân giải chụp ảnh 8-10cm, độ cao bay 150m.

Sau khi bay chụp xong, ảnh UAV được tiến hành xử lý trên cả hai công nghệ phần mềm là phần mềm Pix4D mapper và phần mềm Agisoft Photoscan. Kết quả là bình đồ ảnh UAV với độ phân giải 5cm, DSM 10cm.

Từ bình đồ ảnh, mô hình số độ cao kết hợp với điều tra bổ sung thông tin ngoại nghiệp, tiến hành xây dựng CSDL tỷ lệ 1:2000. CSDL nền địa lý các khu vực đô thị để xây dựng hiện nay cơ bản đã được tổ chức theo chuẩn CSDL quốc gia. Độ chính xác và mức độ thu nhận thông tin đảm bảo các tiêu chí đánh giá chất lượng quy định cho CSDL nền địa lý 1:2000.

Mô hình 3D được thành lập từ CSDL 2D

Mô hình 3D được thành lập từ CSDL 2D

Xây dựng bản đồ 3D trên cơ sở nền tảng Bộ ký hiệu 3D. Bộ ký hiệu 3D gồm 5 loại chính sau: Ảnh cấu trúc (Textured Image.gif); Mô hình địa vật (3D Model *.xpc, *.xpl); Biểu tượng (Icon.gif); Ký hiệu bản đồ (Map_Sign); Ghi chú (Text Label).

Xây dựng CSDL 3D thành phố và mô hình hóa đối tượng quy hoạch 3D

Khác với dữ liệu địa lý, hầu hết các kế hoạch, phương án quy hoạch không được tham chiếu địa lý và không thể tích hợp trực tiếp vào mô hình thành phố 3D. Hơn nữa, thông tin về các đối tượng kế hoạch, chẳng hạn như số tầng của một tòa nhà không được mã hóa trong các bảng thuộc tính nhưng có trong đồ họa kế hoạch. Vì lý do này, một số bước tiền xử lý là cần thiết để tạo ra hình ảnh kế hoạch 3D từ các kế hoạch cần kiểm tra. Do đó, đầu tiên phải được mã hóa địa lý bản kế hoạch và các tính năng kế hoạch phải được số hóa trước khi mô hình tích hợp vào 3DCM.

Tích hợp đường giao thông vào mô hình 3DCM

Tích hợp đường giao thông vào mô hình 3DCM

Trong một phương án quy hoạch gồm nhiều nhóm lớp đối tượng khác nhau. Để tiện cho việc quản lý và xây dựng các ánh xạ trình bày 3DCM từ CSDL 2D cần xây dựng khung CSDL thành phố 3D. Khung CSDL gồm các nhóm lớp và các lớp đối tượng, ví dụ nhóm lớp giao thông gồm đường đô thị, vỉa hè, nhóm dân cư gồm nhà cao tầng, nhà phố, nhà máy…. Việc tạo khung CSDL được thực hiện trên phần mềm ArcGIS.

CSDL phương án quy hoạch 3D được cập nhật trên phần mềm ArcGIS. Sau khi nhập dữ liệu không gian, các đối tượng cần được cập nhật thông tin thuộc tính. VD: các toàn nhà cao tầng có các thông tin như: Tên nhà, địa chỉ, chiều cao, số tầng… Các thông tin này vừa để quản lý, tra cứu đối tượng trên mô hình 3DCM vừa để tự động sinh các mô hình đối tượng 3D trên phần mềm Skyline.

Kết luận

Trên cơ sở khoa học mô hình thành phố ảo 3D phục vụ cho công tác quy hoạch và quản lý đô thị, có thể đề xuất nghiên cứu ứng dụng đưa 5 cấp độ chi tiết (LoD) của mô hình thành phố ảo 3D và Quy trình công nghệ xây dựng mô hình thành phố ảo 3D phục vụ công tác quy hoạch và quản lý đô thị ở nước ta.

Kết quả thực nghiệm xây dựng mô hình thành phố ảo 3D Khu đô thị và công nghiệp Kiến Thụy (với diện tích 912,83 ha) thuộc thành phố Hải Phòng đã bước đầu minh chứng về các đề xuất và khả năng ứng dụng mô hình thành phố ảo 3D trong công tác quy hoạch và quản lý đô thị ở nước ta.

Kết quả thực nghiệm là cơ sở hỗ trợ đắc lực cho công tác quy hoạch và quản lý đô thị tại khu vực nghiên cứu, đồng thời làm nền tảng để phát triển và nhân rộng mô hình ứng dụng thành phố ảo trong công tác quy hoạch phát triển các khu đô thị và các khu công nghiệp trong cả nước./

ThS Mai Văn Sỹ, Trần Thị Hải Vân, Nguyễn Thị Mai Dung – Công ty Cổ phần Tư vấn Thiết kế Đầu Tư Miền Duyên Hải

Bình luận