Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu xây dựng mô hình thành phố ảo phục vụ công tác quy hoạch đô thị

Chia sẻ: Trần Văn Gan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

72
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nội dung luận án gồm 3 chương được trình bày như sau: Chương 1: Tổng quan các vấn đề nghiên cứu; Chương 2: Cơ sở khoa học xây dựng thành phố ảo 3D trong quy hoạch và quản lý đô thị; Chương 3: Xây dựng mô hình thành phố ảo 3D phục vụ quy hoạch Khu đô thị công nghiệp Kiến Thụy, thành phố Hải Phòng.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu xây dựng mô hình thành phố ảo phục vụ công tác quy hoạch đô thị

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT MAI VĂN SỸ NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH THÀNH PHỐ ẢO PHỤC VỤ CÔNG TÁC QUY HOẠCH ĐÔ THỊ TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội, 2019
Công trình được hoàn thành tại: Bộ môn Bản đồ, Khoa Trắc địa - Bản đồ và Quản lý đất đai, Trường Đại học Mỏ - Địa chất Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Nguyễn Trường Xuân Phản biện 1: PGS.TS Trần Đình Trí Phản biện 2: TS Nguyễn Phi Sơn Phản biện 3: PGS.TS Phạm Việt Hòa Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án cấp Trường họp tại Trường Đại học Mỏ - Địa chất vào hồi….. giờ ngày … tháng ….năm 2019 Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: Thư viện Quốc Gia, Hà Nội hoặc Thư viện Trường Đại học Mỏ - Địa chất
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Như chúng ta đã biết quy hoạch đô thị là tổ chức và xây dựng không gian đô thị phục vụ các kế hoạch và chương trình phát triển đô thị của các cấp các ngành. Quy hoạch đô thị được gọi là Quy hoạch xây dựng đô thị. Quy hoạch xây dựng đô thị là một ngành khoa học kỹ thuật, xã hội, nhân văn, là nghệ thuật về tổ chức không gian sống cho các đô thị và các khu vực đô thị. Các không gian đô thị, công trình hạ tầng kỹ thuật, công trình hạ tầng xã hội đô thị cần được quy hoạch phù hợp với phát triển tổng thể kinh tế - xã hội- môi trường, an ninh - quốc phòng. Việc quy hoạch và quản lý đô thị đòi hỏi phải giải quyết tổng thể các yêu cầu về thiết kế, quy hoạch cấu trúc không gian, môi trường sinh thái, kinh tế và xã hội. Tất cả đều cần một môi trường đa chiều, cụ thể là môi trường không gian 3D thực hay không gian 4D (để xem xét sự thay đổi theo thời gian). Việc thực hiện quy hoạch đô thị, thiết kế đô thị trong môi trường 3D là một bước tiến nhảy vọt về công nghệ thay thế cho phương pháp quy hoạch đô thị truyền thống GIS 2D, nó có ý nghĩa to lớn đối với các nhà quản lý và thiết kế đô thị trong giai đoạn hiện nay. Việc nghiên cứu và ứng dụng mô hình bản đồ 3D biểu diễn bề mặt đất mới chỉ dừng ở việc mô phỏng địa hình, địa vật, dựng hình và gán các thuộc tính đơn giản mà chưa xây dựng và quản lý cơ sở dữ liệu (CSDL) các đối tượng đô thị theo mô hình 3D, chưa có khung chuẩn thống nhất cơ sở dữ liệu không gian và thuộc tính của đối tượng 3D ... những vấn đề này sẽ làm cho việc nghiên cứu ứng dụng mô hình 3D trong công tác quy hoạch đô thị ở nước ta chưa tương ứng với ý nghĩa của nó và chưa đáp ứng được nhu cầu của thực tế. Chính vì vậy, việc xây dựng mô hình thành phố ảo 3D dựa trên một CSDL 3D thống nhất về nội dung, cấu trúc sẽ đảm bảo cho công tác quy hoạch và quản lý đô thị tiến thêm một bước mới trong trên con đường xây dựng thành phố thông minh (SmartCity) và ở đó mô hình thành phố ảo 3D được thiết lập như một phần của cơ sở hạ tầng dữ liệu không gian địa lý (SDI). Trên thế giới, việc ứng dụng các mô hình thành phố ảo 3D trong công tác quy hoạch, thiết kếvà quản lý đô thị, quản lý lãnh thổ đã và đang được nghiên cứu và đã trở thành một phương pháp hiện đại. Ở Việt Nam, một số nhà khoa học đã bắt đầu nghiên cứu áp dụng kỹ thuật bản 1
đồ số, GIS và công nghệ tin học…để xây dựng các mô hình 3D phục vụ cho một vài lĩnh vực.Tuy nhiên do khối lượng công việc lớn, nhiều vấn đề kỹ thuật còn vướng mắc và chuẩn dữ liệu 3D chưa được thống nhất nên đến nay việc triển khai xây dựng các mô hình thành phố ảo 3D vẫn còn nhiều vấn đề cần được nghiên cứu. Đặc biệt là việc nghiên cứu một cách có hệ thống và đưa ra cơ sở khoa học và quy trình xây dựng các mô hình thành phố ảo 3D phục vụ công tác quy hoạch và quản lý đô thị cần được triển khai. Vì vậy, việc nghiên cứu cơ sở khoa học cũng như ứng dụng và phát triển các kỹ thuật, các công cụ và các phương pháp phù hợp để xây dựng mô hình thành phố ảo 3D phục vụ công tác quy hoạch và quản lý đô thị của đề tài luận án là cần thiết, mang tính khoa học và có tính thực tiễn cao. 2. Mục tiêu nghiên cứu Xác lập cơ sở khoa học vàquy trình xây dựng mô hình thành phố ảo 3D phục vụ cho công tác quy hoạch và quản lý đô thị, minh chứng qua thực nghiệm tại Khu đô thị công nghiệp Kiến Thụy, thành phố Hải Phòng. 3. Đối tượng nghiên cứu Theo mục tiêu nghiên cứu của đề tài, đối tượng nghiên cứu là Mô hình thành phố ảo 3D. 4. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp phân tích tổng hợp: Thu thập và nghiên cứu các đề tài đã nghiên cứu trong và ngoài nước, trên Internet, sách, báo, tạp chí có liên quan đến mô hình 3D, quy hoạch đô thị. Từ đó đánh giá, phân tích, phân loại tài liệu theo nguồn gốc, chủng loại, thời gian, tác giả, ngôn ngữ…thành các loại tài liệu chính, tài liệu tham khảo, tài liệu pháp lý, kế thừa có chọn lọc các kết quả đã nghiên cứu. Phương pháp mô hình hóa: Mô hình bản đồ, mô hình ảnh, mô hình cấu trúc đối với dữ liệu số, biểu thị bản đồ số, biểu thị mô hình 3D tĩnh, động.…. Phương pháp GIS: phục vụ xây dựng cơ sở dữ liệu và phân tích không gian địa lý. Phương pháp tin học: Phục vụ phát triển các Modul ứng dụng. Phương pháp thực nghiệm: Tiến hành thực nghiệm tại Khu đô thị công nghiệp Kiến Thụy, thành phố Hải Phòng để chứng minh các kết quả nghiên cứu của luận án. Phương pháp chuyên gia: Thông qua hội thảo, góp ý, xin ý kiến các chuyên gia, các nhà khoa học trong lĩnh vực quy hoạch đô thị, trong lĩnh vực trắc địa bản đồ, lĩnh 2
vực công nghệ thông tin. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Ý nghĩa khoa học: - Luận án đã nghiên cứu và tổng hợp có hệ thống về cơ sở khoa học xây dựng mô hình thành phố ảo 3D phục vụ công tác quy hoạch và quản lý đô thị. Do đó, kết quả nghiên cứu của luận án sẽ góp phần làm sáng tỏ cơ sở khoa học công nghệ thành phố ảo 3D và có ý nghĩa trong việc tạo tiền đề cho việc xây dựng và phát triển mô hình dữ liệu thành phố thông minh SmartCity. Ý nghĩa thực tiễn: - Mô hình thành phố ảo 3D được xây dựng là các thông tin có giá trị cho cho các nhà quy hoạch và quản lý dự án khu công nghiệp Kiến Thụy thành phố Hải Phòng. - Phương pháp và quy trình đã được nghiên cứu có thể phát triển áp dụng trong công tác quy hoạch và quản lý đô thị ở nước ta. 6. Những điểm mới của đề tài - Đề xuất được CSDL thành phố ảo 3D bao gồm nội dung, cấu trúc dữ liệu, cấp độ chi tiết để áp dụng trong xây dựng quy hoạch và quản lý đô thị ở nước ta. - Đề xuất được quy trình công nghệ phù hợp trong xây dựng và khai thác mô hình thành phố ảo 3D phục vụ công tác quy hoạch và quản lý đô thị. 7. Luận điểm bảo vệ Luận điểm 1: Cơ sở dữ liệu thành phố ảo 3D hoàn toàn đáp ứng cho trình diễn phối cảnh, cung cấp thông tin không gian sáng tạo, trực quan, đảm bảo cho phân tích và hỗ trợ ra quyết định trong quy hoạch và quản lý đô thị. Luận điểm 2: Quy trình công nghệ được đề xuất phù hợp với yêu cầu xây dựng thành phố ảo 3D phục vụ quy hoạch và quản lý đô thị. 8. Cơ sở tài liệu của luận án Luận án xây dựng trên cơ sở: Tổng hợp có hệ thống về cơ sở khoa học xây dựng mô hình thành phố áo 3D phục vụ công tác quy hoạch và quản lý đô thị và tạo tiền đề cho việc xây dựng và phát triển mô hình dữ liệu thành phố thông minh SmartCity; các bài báo và các công trình nghiên cứu khoa học của tác giả trong nước và nước ngoài đăng trên các tạp chí chuyên ngành. 9. Khối lượng và cấu trúc của luận án Luận án gồm phần mở đầu, 3 chương, kết luận, kiến nghị và danh mục tài liệu 3
tham khảo. Toàn bộ nội dung luận án trình bày trong 133 trang khổ giấy A4, trong đó có 6 bảng biểu, 70 hình vẽ. 4
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Tổng quan về công tác quy hoạch và quản lý đô thị ở nước ta 1.1.1. Tổng quan về quy hoạch không gian, quy hoạch đô thị Nhu cầu phát triển kinh tế trong bối cảnh cạnh tranh và xung đột không gian khai thác, sử dụng ở Việt Nam ngày càng gia tăng. Vì vậy, việc áp dụng quy hoạch không gian đã trở thành nhu cầu thực tiễn cấp bách trong quản lý nhà nước tổng hợp và thống nhất đối với Việt Nam trong thời gian tới [1]. Có thể nói, quy hoạch không gian và quản lý tổng hợp theo không gian đang còn là những vấn đề mới mẻ đối với không chỉ các nhà quản lý và hoạch định chính sách, mà còn đối với ngay cả các nhà khoa học và quy hoạch ở Việt Nam. Có một số mức quy hoạch như sau [2]: - Quy hoạch chung - Quy hoạch phân khu - Quy hoạch chi tiết 1.1.2. Yêu cầu của quy hoạch đô thị 1.1.2.1. Nội dung của quy hoạch đô thị Nội dung đồ án quy hoạch đô thị bao gồm việc xác định chỉ tiêu về dân số, hạ tầng xã hội, hạ tầng kỹ thuật và yêu cầu tổ chức không gian, kiến trúc cho toàn khu vực quy hoạch; bố trí công trình hạ tầng xã hội phù hợp với nhu cầu sử dụng; chỉ tiêu sử dụng đất và yêu cầu về kiến trúc công trình đối với từng lô đất; bố trí mạng lưới các công trình hạ tầng kỹ thuật đến ranh giới lô đất [2]. Trong nội dung thiết kế đô thị của đồ án quy hoạch đô thị bao gồm việc xác định các công trình điểm nhấn trong khu vực quy hoạch theo các hướng tầm nhìn, tầng cao xây dựng công trình cho từng lô đất và cho toàn khu vực; khoảng lùi của công trình trên từng đường phố và ngã phố; xác định hình khối, màu sắc, hình thức kiến trúc chủ đạo của các công trình kiến trúc; hệ thống cây xanh, mặt nước, quảng trường. Chất lượng, phương pháp và biểu thị không gian đô thị trên mô hình bản đồ có ý nghĩa to lớn trong nội dung của đồ án quy hoạch đô thị. Đây là vấn đề có tính kỹ thuật cao với sự kết hợp giữa các nhà quy hoạch và các nhà bản đồ, nhằm cung cấp cho cấp có thẩm quyền trong xét duyệt phương án và đồng thời cho cho các cơ quan, tổ chức, cá nhân trong thực thi phương án quy hoạch một cách 5
hiệu quả nhất. 1.1.2.2. Chức năng của một số loại bản đồ trong đồ án quy hoạch Bản đồ địa hình phục vụ lập đồ án quy hoạch đô thị do cơ quan quản lý nhà nước về bản đồ cấp hoặc do cơ quan chuyên môn khảo sát, đo đạc lập, bảo đảm yêu cầu về chất lượng và kỹ thuật theo quy định về sản phẩm đo đạc bản đồ. Các thông tin, dữ liệu của bản đồ địa hình phải đáp ứng yêu cầu phục vụ việc lập quy hoạch đô thị phù hợp với từng loại đồ án quy hoạch đô thị. Trường hợp bản đồ địa hình không phù hợp với hiện trạng tại thời điểm lập quy hoạch thì thực hiện khảo sát đo đạc chỉnh lý, bổ sung. 1.1.3. Thực trạng công tác lập đồ án quy hoạch và quản lý đô thị ở nước ta Từ những vấn đề đặt ra và yêu cầu của thực tiễn quy hoạch đô thị, xu hướng ứng dụng công nghệ 3D về mô hình hóa không gian đã được đặt ra không những đối với nhiều ngành mà đối với lĩnh vực quy hoạch xây dựng đô thị lại có một tầm quan trọng đặc biệt. Trước đây, công tác thiết kế, quy hoạch và quản lý đô thị thường được thực hiện trên cơ sở các bản đồ 2D và hơn nữa là GIS 2D. Các loại bản đồ này không thể hiện được không gian 3 chiều của các khu đô thị và rất khó hiểu nếu chúng ta không phải là những nhà chuyên môn. Với sự phát triển của công nghệ thông tin và các công nghệ đồ họa có liên quan, công nghệ 3D tiên tiến thông qua việc sử dụng mô hình thành phố ảo 3D đã khắc phục được các nhược điểm của công nghệ 2D. Mô hình thành phố ảo 3D cho phép các nhà quy hoạch và công chúng hiểu được các không gian đô thị phức tạp và thấu hiểu được tác động của những phát triển trong tương lai. Mô hình 3D như vậy không chỉ giúp các nhà quy hoạch đô thị thực hiện phân tích nâng cao, lập kế hoạch và ra quyết định, mà còn giúp củng cố tính minh bạch trong quy hoạch bằng cách phổ biến hiệu quả thông tin quy hoạch với cộng đồng. Hiện nay, công nghệ 3D nói chung, mô hình thành phố ảo 3D nói riêng đang được nghiên cứu ứng dụng rộng rãi trong công tác thiết kế, quy hoạch và quản lý đô thị ở các nước phát triển và bước đầu ở nước ta. Điều này một lần nữa khẳng định tính cấp thiết của đề tài luận án. 1.2. Tổng quan về tình hình nghiên cứu ứng dụng mô hình 3D trong công tác quy hoạch và quản lý đô thị trên thế giới Hiện nay, trên thế giới, mô hình 3D ứng dụng trong công tác quy hoạch và quản lý đô thị đã được quan tâm nghiên cứu ở nhiều nước như Úc, Nhật, Đức, Anh, Trung Quốc, Đài Loan,… [84], [69], [58], [43], [59]. Ngay từ thời kỳ đầu của lịch sử phát triển 6
bản đồ học, các nhà bản đồ đã tìm ra nhiều phương pháp mô hình hóa bề mặt trái đất lên mặt phẳng bản đồ. Với các mô hình 3D các nhà bản đồ học đã mô hình hóa bề mặt lãnh thổ một cách trực quan, sinh động giúp cho quá trình nhận thức về lãnh thổ nhanh hơn, trực quan hơn. Các mô hình 3D đã được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: thủy văn, giao thông, quy hoạch, quân sự,… [43], [44], [68]. Đặc biệt, ý tưởng ứng dụng công nghệ 3D là trong công tác quy hoạch đã được Saarinen đưa ra từ nửa đầu thế kỷ 20 [40]. Tuy nhiên, chỉ đến khi công nghệ tin học phát triển thì việc hiện thực hóa ý tưởng của Saarinen mới có thể thực hiện được [36], [83]. 1.3. Tổng quan về tình hình nghiên cứu ở Việt Nam Ở Việt Nam, trong vài năm trở lại đây, 3D GIS và bản đồ ba chiều cũng đã được quan tâm nghiên cứu. Có thể liệt kê ra đây một số nghiên cứu tiêu biểu như: công trình “biểu diễn bản đồ ba chiều và ứng dụng” [16]. Công trình tập trung nghiên cứu các phương pháp biểu diễn bản đồ ba chiều, qua đó đã chỉ ra rằng mô hình mạng các tam giác không đều (TIN) phù hợp để biểu diễn bản đồ ba chiều. Nghiên cứu này đã tập trung vào các khái niệm cơ bản, cơ sở toán học của bản đồ địa hình ba chiều, trên cơ sở đó đề xuất thử nghiệm phương pháp xây dựng, biểu diễn bản đồ địa hình ba chiều dựa trên công nghệ ArcGIS của hãng ESRI (Mỹ). Năm 2008, tại Hà Nội, Bộ Xây dựng đã tổ chức hội thảo “Hội thảo ứng dụng hệ thống thông tin địa lý (GIS) trong phát triển đô thị”, trong đó nhấn mạnh đến vai trò quan trọng và khả năng ứng dụng của 3D GIS đối với việc hỗ trợ quy hoạch và kiến trúc cho thành phố cũng như các vấn đề về giao thông. Hiện nay, ở nước ta cũng đã ứng dụng nhiều công nghệ mới trong thể thu thập dữ liệu không gian ba chiều như bay quét địa hình sử dụng công nghệ lazer (LiDAR), đo vẽ lập thể, radar trực giao, …Những dữ liệu này là đầu vào rất tốt cho việc mô hình hóa bản đồ ba chiều, nhưng hiện tại các dữ liệu này mới được lưu trữ dưới dạng file văn bản (text) tập các tọa độ xyz, mô hình lưới đều (grid)…Ngành tài nguyên và môi trường đang cần các nghiên cứu cụ thể ứng dụng cho các đối tượng dữ liệu quan trắc được để xây dựng và quản lý các loại bản đồ ba chiều. 1.4. Hướng nghiên cứu của đề tài luận án Qua nghiên cứu và tìm hiểu quá trình phát triển của công nghệ và các công trình nghiên cứu ở trên thế giới và ở nước ta, chúng tôi nhận thấy rằng: Một số nước phát triển trên thế giới đã bước đầu nghiên cứu và ứng dụng thành công các mô hình thành phố ảo 3D trong quy hoạch và quản lý đô thị. Nội dung nghiên cứu của họ tập trung vào 7
ba vấn đề là: kỹ thuật xây dựng mô hình thành phố ảo 3D, phát triển công cụ (phần cứng và phần mềm) và xây dựng hệ thống thông tin dựa trên mô hình thành phố ảo và liên kết với mô hình chính phủ điện tử. Do đó, với mong muốn góp phần cho việc sớm ứng dụng mô hình thành phố ảo 3D trong công tác quy hoạch và quản lý đô thị ở nước ta, nghiên cứu sinh đã định hướng nghiên cứu như sau: Trên cơ sở tham khảo và kế thừa một số thành quả nghiên cứu trên thế giới và một số kết quả nghiên cứu bước đầu ở nước ta, sẽ nghiên cứu có hệ thống về cơ sở khoa học của công nghệ, trong đó đề xuất danh mục nội dung, cấu trúc, cấp độ chi tiết của mô hình thành phố ảo 3D, đề xuất quy trình xây dựng mô hình thành phố ảo 3D, và nghiên cứu ứng dụng thử nghiệm xây dựng mô hình 3D quy hoạch khu vực Khu đô thị công nghiệp Kiến Thụy với diện tích khoảng 912,83ha thuộc Thành phố Hải Phòng để kiểm chứng. Kết luận chương 1 Cho đến nay, quan điểm về quy hoạch và quản lý đô thị đã thay đổi đáng kể. Mặc dù trong quá trình hoạch định và quản lý đô thị trong thời gian qua chỉ là một vài tổ chức và chuyên gia làm việc trong các lĩnh vực riêng của mình, nhưng việc lập kế hoạch và quản lý hiện nay ngày càng được quan tâm bởi sự tham gia và hợp tác giữa các nhóm các đơn vị liên quan khác nhau và bởi sự hội nhập chặt chẽ hơn trong các lĩnh vực chuyên môn. Đã có nhiều công trình khoa học nghiên cứu đặc biệt, chưa triển khai xây dựng mô hình thành phố ảo 3D dựa trên CSDL 3D phục vụ cho công tác định hướng quy hoạch không gian, các khái niệm về mô hình thành phố ảo ở dạng mô phỏng không gian mới được một số tác giả tiếp cận ở một số công trình nghiên cứu, việc xây dựng mô hình thành phố ảo 3D dựa trên CSDL 3D như một hướng tiếp cận từ 2D GIS lên 3D GIS gần như rất ít nghiên cứu ở Việt Nam. Trên cơ sở tham khảo và kế thừa một số thành quả nghiên cứu trên thế giới và một số kết quả nghiên cứu bước đầu ở nước ta, sẽ nghiên cứu có hệ thống về cơ sở khoa học của công nghệ, trong đó đề xuất danh mục nội dung, cấu trúc, cấp độ chi tiết của mô hình thành phố ảo 3D, đề xuất quy trình xây dựng mô hình thành phố ảo 3D. 8
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC XÂY DỰNG THÀNH PHỐ ẢO 3D PHỤC VỤ QUY HOẠCH VÀ QUẢN LÝ ĐÔ THỊ 2.1. Thành phố ảo 3D Khái niệm về thành phố ảo 3D Mô hình thành phố ảo 3D (3D geovirtual viết tắt là GeoVEs) được hiểu là sự biểu diễn kỹ thuật số của các thành phố thực, có thể nhìn thành phố ở bất kỳ điểm nào và khám phá tương tác bởi người dùng trên máy tính dựa trên dữ liệu không gian địa lý. Định nghĩa này nhấn mạnh vào ba khía cạnh quan trọng: 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 mô hình hóa môi trường đô thị thực sự thu nhỏ. 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 3D tương tác, phần mềm 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. 2.2. Nội dung dữ liệu không gian của mô hình thành phố 3D 2.2.1. Nhóm dữ liệu nền địa lý 3D * Mô hình số độ cao (Digital Elevation Model - DEM) * Mô hình số địa hình (Digital Terrain Model – DTM) * Mô hình số bề mặt (Digital Surrface Model - DSM) * Dữ liệu nền cơ sở địa lý từ bản đồ địa hình tỷ lệ lớn * Tư liệu không ảnh * Dữ liệu ảnh mặt đất 2.2.2. Nhóm dữ liệu địa vật trong không gian đô thị 2.2.2.1. Các nhóm đối tượng địa vật Các đối tượng nằm ngay trên bề mặt địa hình dạng đường như sông, suối, đường giao thông, dạng điểm như các điểm khống chế có thể được mô tả bằng các dữ liệu 2D hoặc 3D. Đối với dữ liệu 3D chúng có thể được thể hiện độc lập và chính xác vị trí của mình trong môi trường không gian ba chiều, không phụ thuộc vào dữ liệu bề mặt địa hình làm nền cho chúng. 9
Trên các bản đồ 3D, chi tiết của các khu đô thị, nhà và các khối nhà là nhóm đối tượng được quan tâm rất nhiều về cách thể hiện. Nhóm đối tượng này khá đa dạng về cấu trúc hình học. Chúng có thể được thể hiện chi tiết bằng các mô hình 3D thực mà mỗi nút đều mang giá trị X, Y, H hoặc được khái quát hoá ở các mức độ khác nhau phụ thuộc vào mức độ chi tiết được thể hiện. 2.2.2.2. Xây dựng các đối tượng nhà cửa, công trình xây dựng trên nền địa hình 3D. Trên bản đồ địa hình 3D, nhà có thể được thể hiện bằng các polygon đường viền chân nhà gắn thuộc tính độ cao nhà, độ chịu lửa. Độ cao này được thu thập từ kết quả của dữ liệu Lidar phản hồi cuối cùng (last-echo) như đã nêu ở trên. Đầu tiên, lớp polygon nhà được phủ lên mặt DTM bằng công cụ Baseheight. 2.2.2.3. Thể hiện các đối tượng khác trên bản đồ - Thuỷ hệ và các đối tượng liên quan - Giao thông và các đối tượng liên quan - Các đối tượng kinh tế, văn hoá xã hội - Đường dây điện và đường dây thông tin - Dáng đất, chất đất - Thực vật: - Ghi chú: 2.2.3. Tích hợp từ các nguồn dữ liệu khác 2.2.3.1. Tích hợp dữ liệu các vùng cần được bảo vệ Dữ liệu về các khu bảo tồn thiên nhiên hoặc các khu bảo vệ khác được lưu trữ dưới dạng dữ liệu vectơ địa lý. Các bảng thuộc tính chứa thông tin về trạng thái bảo vệ, tên của vùng được bảo vệ, ngày chỉ định, cơ sở pháp lý cho việc chỉ định …. Hình 2.2 mô tả ba phương pháp được sử dụng để biểu diễn trực quan dữ liệu trên các khu vực được bảo vệ trong mô hình thành phố ảo 3D. 2.2.3.2. Tích hợp các vùng nước Dữ liệu sử dụng đất từ bản đồ địa chính số đã được sử dụng để lựa chọn các vùng nước và tích hợp chúng thành CityGML WaterObjects vào mô hình thành phố ảo 3D. Do đó, các tính năng được chọn đã được chuyển đổi và ghi vào tệp CityGML. 2.2.3.3. Tích hợp các kế hoạch từ quy hoạch đô thị Một số quy trình lập kế hoạch đã diễn ra và vẫn đang tiếp tục trong khu vực chúng ta nghiên cứu. Cho đến nay, ba loại kế hoạch khác nhau đã được kiểm tra: kế hoạch tổng 10
thể, kế hoạch phát triển và kế hoạch xây dựng. 2.2.3.4. Tích hợp các quy hoạch tổng thể Các vấn đề chính trong quy trình lập kế hoạch là các khái niệm chiều cao và mật độ xây dựng của các đề xuất quy hoạch. quy hoạch tổng thể và các phiên bản quy hoạch đã được tích hợp liên tục vào Hệ thống thông tin đất đai 3D để cung cấp các mô phỏng trực quan trong quá trình lập quy hoạch. Hình 2.2: Phương pháp tích hợp Hình 2.3: Phương pháp Extrusion-based modeling cho dữ liệu dạng vector được sử dụng để biểu diễn các sơ đồ tổng thểthông qua các mô hình khối và các cấu tạo bề mặt địa hình Hình 2.4: Phương pháp tiếp cận mô hình 3Dđể Hình 2.5: Minh họa phương pháp mô hình hóa tạo ra các biểu diễn quy hoạch nhưlà mô hình 3D dựa trên CityGML 2.2.3.5. Tích hợp các sơ đồ quy hoạch Loại quy hoạch thứ hai được kiểm tra là các sơ đồ quy hoạch. Các sơ đồ quy hoạch là các văn bản quy hoạch ràng buộc về mặt pháp lý, trong đó xác định việc sử dụng đất trong tương lai cũng như mật độ xây dựng và các đối tượng xây dựng. 2.2.3.6. Tích hợp đồ án xây dựng Cần thiết phải chỉnh sửa dữ liệu topo và tạo một tập dữ liệu tính năng của các khối tòa nhà. Chúng được chuẩn bị bằng cách thêm các thuộc tính giữ thông tin chiều cao và xuất sang SketchUp. Các sơ đồ mặt bằng và bản vẽ mặt chính, phải được chuẩn bị để xin phép xây dựng sẽ được sử dụng làm phương án cho mô hình 3D. 2.2.3.7. Tích hợp thêm thông tin thông qua các thuộc tính, các tác động và chú giải Các phương pháp được trình bày cho đến nay tập trung vào việc tích hợp các biểu 11
diễn trực quan của geodata và các quy hoạch vào mô hình thành phố 3D. Trong nhiều trường hợp, các biểu diễn trực quan này có thể được coi là giao diện cho thông tin không gian hơn. 2.3. Nghiên cứu đề xuất cơ sở dữ liệu thành phố ảo 3D CSDL cho mô hình 3D phức tạp hơn nhiều đối với CSDL 2D, đây là vấn đề mới ở Việt Nam, chưa có tiêu chuẩn hay quy định nào của nhà nước ban hành, việc xây dựng mô hình thành phố ảo 3D phải dựa trên một khung tiêu chuẩn về CSDL 3D có cấu trúc là bắt buộc 2.3.1. Khung tham chiếu không gian của dữ liệu Theo quy định hiện hành về các sản phẩm đo đạc bản đồ trên lãnh thổ Việt Nam phải thống nhất sử dụng hệ tọa độ VN2000 cho các bản đồ: địa hình, địa chính, quy hoạch, hiện trạng… 2.3.2. Cấu trúc đồ họa đối tượng 3D Một đối tượng bất kỳ được xây dựng dựa trên: điểm, đường thẳng, mặt phẳng và cuối cùng là dùng các phép dựng hình 3D để tạo nên vật thể. Sau khi có một mô hình 3D thì công việc tiếp theo là gán hình ảnh bề mặt, tô màu, bóng, pattern, trong đó hình mảnh bề mặt liên quan đến cấp độ chi tiết của hình ảnh (LoD). 2.3.3. Cấp độ chi tiết trong mô hình thành phố ảo 3D Quá trình xây dựng bản đồ 3D có thể chia thành hai bước chính cũng tương tự như khi làm sa bàn, đầu tiên phải tạo khung, sau đó mới phủ lên trên các lớp màu và gắn thêm các đối tượng khác. 2.3.4. Đề xuất cấp độ chi tiết trong mô hình thành phố ảo 3D Như vậy, trên cơ sở các phân tích trên đây, có thể thấy rằng trong thực tế khái niệm LoD được sử dụng để thể hiện độ mịn bề mặt của đối tượng 3D. Tuy nhiên, LoD chỉ là một trong những khía cạnh cần xem xét khi có được mô hình thành phố ảo 3D, vì từ quan điểm hình học, có tồn tại nhiều biến thể của các mô hình trong mỗi LoD. Như vậy sẽ có 3 cấp độ LoD1, LoD2, LoD3 sẽ được sử dụng trong mô phỏng không gian đô thị là phù hợp nhất, đảm bảo cho các chức năng cũng như phục vụ hiệu quả cho các bài toán phân tích không gian ảo. 12
Hình 2.12: Các cấp độ chi tiết (LoD) trong mô hình thành phố ảo 3D 2.3.5. Đề xuất nội dung và cấu trúc dữ liệu 2.3.5.1. Phân tích các thành phần nội dung của CSDL thành phố ảo 3D Trong dữ liệu vector 2D có 3 loại đối tượng chính: điểm, đường, vùng còn đối với dữ liệu vector 3D có 5 loại: điểm, đường, vùng, mặt, khối. tất cả các đối tượng này được gắn liền với bề mặt DEM. Cấu trúc của mô hình không gian 3D bao gồm nền DEM, dữ liệu đồ họa của các đối tượng địa lý, dữ liệu thuộc tính gắn với dữ liệu đồ họa của đối tượng và tất cả được hiển thị trong môi trường 3D theo nguyên tắc bản đồ. Bảng 2.1: Quy định về độ chính xác về độ cao đối tượng 3D LOD0 LOD1 LOD2 LOD3 LOD4 Cấp độ chi tiết Địa Thành phố, Thành phố, Quận, mô hình Mô hình kiến phương, vùng quận, dự án kiến trúc (mặt trúc (bên trong), Toàn cảnh ngoài), điểm mốc điểm mốc Độ chính xác Thấp nhất Thấp Trung bình Cao Rất cao Độ chính xác Thấp hơn 5/5m 2/2m 0.5/0.5m 0.2/0.2m điểm (vị trí/ độ LOD1 cao) Mức độ tổng Tổng quát Các đối tượng Các đối tượng Các đối tượng > Các đối tượng có quát hóa hóa tối đa > 6*6m/3m > 4*4m/2m 2*2m/1m giữ kiến trúc và mở được tổng quát được tổng quát nguyên rộng được tái hóa thành các hóa thành các biểu diễn lại. khối đối tượng đối tượng Nhà Không Không Có Những đối tượng Đối tượng thực có kiến trúc bên ngoài đặc trưng Cấu trúc mái Có Mặt phẳng Các kiểu cấu Đối tượng thực Đối tượng thực nhà/Biểu diễn trúc mái nhà Độ nhô cao của Có Không Có, nếu biết Có Có mái 13
Kiến trúc thành Không Đối tượng Nguyên mẫu, Đối tượng thực Đối tượng thực phố chính Đối tượng tổng quát hóa Thực vật dạng Không Đối tượng Nguyên mẫu, Nguyên mẫu, cao Nguyên mẫu, khối chính cao hơn 6m hơn 2m Đối tượng thực Phủ thực vật Không >50*50m >5*5m
2.4.2. Quy trình xây dựng bản đồ 3D từ ảnh viễn thám độ phân giải cao Quy trình xây dựng mô hình thành phố ảo 3D từ ảnh viễn thám độ phân giải cao về cơ bản gồm 4 bước gồm: đo ảnh lập thể; xử lý tạo ảnh trực giao; chiết xuất đồ hình nền móng các tòa nhà, công trình và xây dựng mô hình thành phố 3D. 2.4.3. Đề xuất quy trình xây dựng mô hình thành phố ảo 3D phục vụ quy hoạch đô thị Trên thực tế, quy trình 2.24 cho phép xây dựng mô hình thành phố ảo 3D (3DCM), nhưng chưa phải là mô hình 3D phục vụ công tác quy hoạch chi tiết. Mô hình thành phố ảo 3D được thành lập từ viễn thám độ phân giải cao, siêu cao sẽ cung cấp mô hình hiện trạng, trên cơ sở đó, kết hợp với các bản mô hình 3D quy hoạch sẽ tạo ra mô hình thành phố ảo 3D phục vụ quy hoạch đô thị. Kết luận Chương 2: Nội dung của chương đã nghiên cứu và tổng hợp có hệ thống về cơ sở khoa học xây dựng mô hình thành phố ảo 3D phục vụ công tác quy hoạch và quản lýđô thị. Đã phân tích các đối tượng nội dung khi mô hình hóa không gian thực của đô thị, tổng hợp và phân loại theo nhóm dựa trên các tính chất và đặc trưng của không gian đô thị, từ đó đề xuất được khung nội dung các đối tượng trong không gian đô thị. Khung nội dung đề xuất dựa trên việc kế thừa các tiêu chuẩn quốc tế (CityGML của OGC), phát 15
triển dựa trên các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia về dữ liệu địa lý 2D hiện hành của Việt Nam (QCVN11: 2008/BTNMT; QCVN04: 2009/BTNMT; QCVN42: 2012/BTNMT). Khung tiêu chuẩn của 10 nhóm dữ liệu đã đề xuát phù hợp với mục đích quy hoạch và quản lý đô thị. Đã phát triển khung CSDL 3D thành phố với việc đề xuất danh mục dữ liệu của từng nhóm dữ liệu, mô hình cấu trúc cho từng lớp dữ liệu, cấp độ chi tiết trong trình diễn (LoD), phù hợp với yêu cầu quy hoạch đô thị Việt Nam. Mỗi đối tượng được quản lý trong CSDL đảm bảo cho việc thiết lập mô hình 3D của đô thị dựa trên từng thuộc tính không gian, thuộc tính định lượng các tính chất của đối tượng, từ đó đảm bảo cho phân tích định lượng các bài toán quy hoạch, như một GIS 3D. Đã đề xuất được một quy trình công nghệ hoàn chỉnh về xây dựng mô hình thành phố ảo 3D phục vụ xây dựng quy hoạch và quản lý đô thị. 16
CHƯƠNG 3 THỰC NGHIỆM XÂY DỰNG MÔ HÌNH THÀNH PHỐ ẢO 3D KHU CÔNG NGHIỆP ĐÔ THỊ KIẾN THỤY, TP HẢI PHÒNG 3.1. Giới thiệu khu vực nghiên cứu Hình 3.1: Sơ đồ vị trí mối liên hệ vùng 3.2. Xây dựng mô hình thành phố ảo 3D khu thử nghiệm 3.2.1. Lựa chọn phần mềm Dựa trên các kết quả khảo sát các phần mềm hiện có và qua kinh nghiệm, Skyline được chọn làm phần mềm để thử nghiệm đưa ra các sản phẩm mô hình 3D trong thực nghiệm này vì đây là bộ phần mềm phục vụ cho các ứng dụng không gian 3 chiều, cung cấp giải pháp hiển thị trực quan, phân tích địa hình, lập kế hoạch trong không gian 3 chiều. Bộ phần mềm Skyline có các modul như: TerraBuilder, TerraExplorer (Pro, Plus, Viewer), TerraGate, Web có cấu trúc hoạt động như sau: Hình 3.2: Cấu trúc hoạt động của Skyline 3.2.2.2. Lập bình đồ ảnh và mô hình số độ cao khu vực nghiên cứu Ảnh UAV thu được sau bay chụp sẽ được xử lý bằng phần mềm Pix4D mapper. 17
Kết quả là bình đồ ảnh UAV với độ phân giải 5cm và DSM 10 cm. Hình 3.4: Bình đồ ảnh khu vực nghiên cứu được Hình 3.5: Mô hình số bề mặt (DSM) thành lập từ ảnh UAV 3.2.2.3. Xây dựng CSDL nền thông tin địa lý tỷ lệ 1:2000 Tư liệu ảnh UAV kết với các tư liệu trên các phần mềm chuyên dụng, bình đồ ảnh, bản đồ địa hình và cơ sở dữ liệu nền địa lý tỷ lệ 1:2.000 khu vực thực nghiệm được hoàn thiện. 3.2.3. Xây dựng mô hình thành phố ảo 3D Để xây dựng mô hình 3D thành phố từ nguồn CSDL 2D đã được lập ở trên, cần tiến hành phân loại đối tượng theo chuẩn CityGML. Hình 3.6: Bản đồ địa hình tỷ lệ 1:2000 Hình 3.8: Kết quả mô phỏng địa hình 3.3. Tích hợp phương án quy hoạch Để tích hợp các phương án quy hoạch vào 3DCM thì bước đầu tiên cần số hóa bản đồ quy hoạch 2D, chuyển đối tượng lên nền DEM, gán độ cao và mức độ LoD và cuối cùng tích hợp phương án vào mô hình thành phố 3DCM. 3.3.1. Số hóa phương án 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. Do đó, đầu tiên phải được mã hóa địa lý bản đồ quy hoạch và chuyển khung tham chiếu không gian về VN2000 trước khi mô hình tích hợp vào 3DCM. 18