Bài viết này đề xuất một quy trình xây dựng thành phố ảo, sau đó tiến hành thực nghiệm xây dựng một mô hình thành phố ảo cho khu công nghiệp Kiến Thụy - Hải Phòng, đồng thời nghiên cứu một số ứng dụng của nó trong quy hoạch đô thị khu đô thị công nghiệp Kiến Thụy thành phố Hải Phòng.
14 Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất Tập 60, Kỳ (2019) 14 - 21 Ứng dụng mơ hình thành phố ảo quy hoạch quản lý đô thị khu công nghiệp Kiến Thụy - Hải Phòng Mai Văn Sỹ * Cơng ty cổ phần tư vấn thiết kế đầu tư Miền Duyên Hải, Việt Nam THƠNG TIN BÀI BÁO TĨM TẮT Q trình: Nhận 31/05/2019 Chấp nhận 10/08/2019 Đăng online 30/08/2019 Tốc độ phát triển nhanh chóng thành phố lớn đòi hỏi cơng tác quy hoạch thị phải nhanh chóng, hiệu Trước đây, việc quy hoạch thị chủ yếu xây dựng đồ dạng 2D Hiện nay, việc nghiên cứu thành phố ảo 3D phục vụ cho cơng tác mơ hình hóa bề mặt định hướng quy hoạch không gian đầu tư nghiên cứu phát triển Mơ hình thành phố ảo có tính trực quan cao giúp nhà quy hoạch quản lý quy hoạch có cảm nhận tốt hơn, trực quan không gian mối quan hệ thực thể địa lý khu vực Từ đó, nhà quy hoạch xây dựng kịch quy hoạch cho khu vực quy hoạch, xác định tính ưu việt kịch hỗ trợ cho trình định quy hoạch cách xác đạt hiệu kinh tế cao Bài báo đề xuất quy trình xây dựng thành phố ảo, sau tiến hành thực nghiệm xây dựng mơ hình thành phố ảo cho khu công nghiệp Kiến Thụy - Hải Phòng, đồng thời nghiên cứu số ứng dụng quy hoạch thị khu thị cơng nghiệp Kiến Thụy thành phố Hải Phòng Từ khóa: Mơ hình thành phố ảo 3D Quy hoạch thị 3DCM © 2019 Trường Đại học Mỏ - Địa chất Tất quyền bảo đảm Mở đầu Trong năm gần đây, phát triển mạnh mẽ cơng nghệ làm thay đổi nhanh chóng phương pháp mơ hình hóa bề mặt ứng dụng Với trợ giúp cơng nghệ tin học, hệ thống 3D GIS nghiên cứu, xây dựng phát triển Các hệ thống 3D GIS thường mơ hình hóa bề mặt lãnh thổ thơng qua DEM (Digital Elevation Model) kết hợp với ký hiệu mô đối tượng bề mặt trái đất với _ *Tác giả liên hệ E - mail: maisyhp@gmail.com cấp độ chi tiết (LoD - Level of Detail) khác làm cho việc ứng dụng 3D GIS công tác quy hoạch ngày trở lên phổ biến Đặc biệt, phát triển mạnh mẽ công nghệ thiết bị điện tử đại làm cho việc xây dựng sở liệu hiển thị mơ hình ảo ngày nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu Các mơ hình ngày khơng 3D mà tích hợp thêm nhiều chiều khơng gian 3D để tăng tính thực tế mơ hình hơn, chẳng hạn tích hợp thêm chiều thời gian để mơ diễn biến xảy tương lai gọi mơ hình 4D Đến nay, phát triển khoa học kỹ thuật cho đời khái niệm mơ hình Mai Văn Sỹ/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 60 (4), 14 - 21 5D GIS (Rita, 2017) Công nghệ nghiên cứu kết hợp với công nghệ thực tế ảo nhằm xây dựng mơ hình di sản ảo, thành phố ảo Có thể nói mơ hình mang lại phương pháp tiếp cận cho nhà khoa học lĩnh vực như: sử học, kinh tế học, xã hội học đặc biệt lĩnh vực quy hoạch thị Các mơ hình tảng để triển khai xây dựng mơ hình thành phố ảo (Cyber city) tiến tới thành phố thông minh (Smart city) Cyber city Smart city lĩnh vực liên tục quan tâm nghiên cứu thời gian gần tính ứng dụng cơng tác quy hoạch nhiều nước giới (Drogue et al., 2003; Masahiko, 2004; Fuan and Cyber, 2013; Mao, 2014; Leonidas, 2011; Sekar, 2001) Cho đến nay, với phát triển khoa học công nghệ, quan điểm quy hoạch quản lý đô thị thay đổi Internet cách mạng công nghiệp 4.0 dẫn đến nhu cầu xây dựng thành phố thông minh nhằm phục vụ lĩnh vực quản lý quy hoạch thị tốt Việc đòi hỏi phải có tham gia hợp tác nhóm, đơn vị liên quan khác cách chặt chẽ lĩnh vực chuyên môn nhằm tạo nên đồng hóa kết nối hạ tầng sở tốt Đối với quy hoạch đô thị, ứng dụng quan trọng dựa mơ hình thành phố 3D phân tích trực quan Trong khơng gian 3D mơi trường ảo động, thơng qua việc tính tốn tầm nhìn qua mơ tầm nhìn người phân tích trực quan cho khu vực nhìn thấy để làm cho q trình thiết kế quy hoạch trở nên thực tế khoa học Việc trực quan hóa khái niệm thiết kế quy hoạch bối cảnh 3D cung cấp giải pháp quy hoạch phù hợp Tuy nhiên, mơ hình thành phố ảo 3D giai đoạn nghiên cứu khả áp dụng quy hoạch đô thị chưa nghiên cứu nhiều Bài báo nghiên cứu đề xuất quy trình xây dựng thành phố ảo 3D, sau tiến hành thực nghiệm xây dựng mơ hình thành phố ảo 3D cho khu thị cơng nghiệp Kiến Thụy - Hải Phòng Từ đó, nghiên cứu số ứng dụng mơ hình thành phố ảo 3D quản lý quy hoạch thị Quy trình xây dựng thành phố ảo 3D Mơ hình thành phố ảo 3D (3DCM) hiểu biểu diễn kỹ thuật số thành phố thực điều hướng khám phá tương tác 15 người dùng thiết bị máy tính dựa liệu không gian địa lý Như vậy, thành phố ảo 3D nhấn mạnh vào ba khía cạnh quan trọng là: Mơ hình thành phố ảo 3D cung cấp phương tiện truyền thông tương tác, không gian ảo, cho phép người dùng khám phá mơ hình hóa mơi trường thị thực sự; Mơ hình thành phố ảo 3D bao gồm ba thành phần bản: Dữ liệu không gian địa lý, hệ thống trực quan biến đổi liệu thành mơ hình hóa 3D tương tác phần cứng máy tính; Mơ hình thành phố ảo 3D khơng gian địa lý, tức vị trí thực đối tượng mô tả mơ hình liệu xác định tọa độ hiển thị đối tượng 3D (Hình 1) Các bước quy trình xây dựng mơ hình 3DCM, tích hợp phương án quy hoạch phân tích phương án gồm: - Xây dựng địa hình 3D trạng: Chuẩn bị tư liệu: Ảnh UAV, DEM, Mơ hình 3D, CSDL; Xây dựng địa hình; Trình bày mơ hình thành phố 3D - Xây dựng CSDL mơ hình hóa đối tượng phương án quy hoạch: Xây dựng mơ hình 3D số hóa phương án quy hoạch - Tích hợp phương án quy hoạch - Phân tích, thử nghiệm, lựa chọn phương án quy hoạch Thực nghiệm xây dựng mơ hình thành phố ảo 3D khu đô thị công nghiệp Kiến Thụy, thành phố Hải Phòng 3.1 Giới thiệu khu vực nghiên cứu Khu vực nghiên cứu (Hình 2), dự án nằm địa giới hành xã Ngũ Phúc, Kiến Quốc Tân Trào thuộc huyện Kiến Thụy, thành phố Hải Phòng Khu đất thực dự án trạng chủ yếu đất nông nghiệp trồng lúa nuôi trồng thủy sản Cao độ trạng từ +0.70m đến +2.80m Khu vực nghiên cứu quy hoạch nhằm xây dựng Khu đô thị công nghiệp Kiến Thụy đạt tiêu chuẩn khu đô thị công nghiệp sinh thái với chức sau: Khu đô thị, khu cơng nghiệp, cơng trình hạ tầng kỹ thuật, cơng trình tiện ích cơng cộng, khu nhà cơng nhân kết hợp thương mại dịch vụ để phục vụ cho người lao động Khu công nghiệp 16 Mai Văn Sỹ/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 60 (4), 14 – 21 Hình Quy trình xây dựng mơ hình thành phố ảo Mai Văn Sỹ/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 60 (4), 14 - 21 17 Hình Khu vực nghiên cứu 3.2 Xây dựng địa hình 3D Để xây dựng mơ hình 3DCM cần ảnh bề mặt địa hình độ phân giải cao Ảnh bề mặt địa hình chụp từ thiết bị UAV Phantom kèm camera chụp ảnh FC300S thiết bị phụ trợ khác Độ phân giải chụp ảnh - 10cm, độ cao bay 150m Sau bay chụp xong, ảnh UAV tiến hành xử lý kết hợp phần mềm Pix4D mapper phần mềm Agisoft Photoscan Kết đạt bình đồ ảnh UAV với độ phân giải 5cm DSM 10 cm (Hình 3) Từ bình đồ ảnh (Hình 3) mơ hình số độ cao (Hình 4), kết hợp điều tra bổ sung thông tin ngoại nghiệp, tiến hành xây dựng CSDL tỷ lệ 1: 2000 CSDL địa lý tổ chức theo chuẩn CSDL quốc gia Độ xác mức độ thu nhận thơng tin đảm bảo tiêu chí đánh giá chất lượng quy định cho CSDL địa lý 1:2000 Để xây dựng đồ 3D cần xây dựng Bộ ký hiệu 3D Bộ ký hiệu 3D phải thể toàn đối tượng dạng điểm, đường, vùng, ghi Hình Bình đồ ảnh thành lập từ ảnh UAV Các ký hiệu dạng điểm thiết kế phần mềm SketchUp có hỗ trợ định dạng *.fly, *.xpc Các ký hiệu dạng đường, vùng thiết kế trực tiếp chương trình Skyline Bộ ký hiệu đồ 3D gồm loại sau: Ảnh cấu trúc (Textured Image.gif); Mơ hình địa vật (3D Model *.xpc, *.xpl); Biểu tượng (Icon.gif); Ký hiệu đồ (Map_Sign); Ghi (Text Label) (Hình 5, Hình 6) 18 Mai Văn Sỹ/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 60 (4), 14 - 21 3.3 Xây dựng CSDL 3D thành phố mơ hình hóa đối tượng quy hoạch 3D Khác với liệu địa lý, hầu hết phương án quy hoạch không tham chiếu địa lý tích hợp trực tiếp vào mơ hình thành phố 3D Hơn nữa, thông tin đối tượng quy hoạch, chẳng hạn số tầng tòa nhà khơng mã hóa bảng thuộc tính có đồ án quy hoạch Vì lý này, số bước tiền xử lý cần thiết để tạo hình ảnh 3D từ đối tượng cần quy hoạch Do đó, thiết kế quy hoạch phải mã hóa địa lý thuộc tính đối tượng quy hoạch phải nhập trước mơ hình tích hợp vào 3DCM Một phương án quy hoạch thường gồm nhiều nhóm lớp đối tượng khác Để thuận tiện cho việc quản lý xây dựng ánh xạ trình bày 3DCM từ CSDL 2D, khung CSDL thành phố 3D xây dựng, bao gồm nhóm lớp lớp đối tượng, nhóm lớp giao thơng gồm đường thị, vỉa hè, nhóm dân cư gồm nhà cao tầng, nhà phố, nhà máy, (Hình 7) - CSDL phương án quy hoạch 3D cập nhật phần mềm ArcGIS Sau nhập liệu không gian, đối tượng cập nhật thơng tin thuộc tính Đối với mơ hình tòa nhà cao tầng nhập thơng tin: Tên nhà, địa chỉ, chiều cao, số tầng, Các thông tin vừa để quản lý, tra cứu đối tượng mơ hình 3DCM vừa để tự động sản sinh mơ hình đối tượng 3D phần mềm Skyline Hình Mơ hình số độ cao Hình Thiết kế mơ hình đối tượng phần mềm SketchUp Mơ hình thành phố ảo 3D quy hoạch đô thị Trên sở xác định đối tượng đồ án quy hoạch, báo đề xuất phương pháp xây dựng mơ hình thành phố ảo 3D cho nhóm đối tượng gồm cơng trình xây dựng đường giao thơng Hình Địa hình 3D khu vực quy hoạch 4.1 Cơng trình xây dựng Cơng trình xây dựng bao gồm loại đối tượng nhà cao tầng, nhà thấp tầng nhà xưởng Các tiêu chiều cao mật độ xây dựng phương án quy hoạch đề xuất xác định tích hợp vào mơ hình 3DCM để cung cấp hình ảnh mơ q trình xây Hình Khung CSDL phương án quy hoạch Mai Văn Sỹ/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 60 (4), 14 - 21 dựng đồ án quy hoạch Bài báo đề xuất hai phương pháp sau: - Phương pháp thứ nhất, mơ hình mở rộng sử dụng để tạo mơ hình khối nhà 3D (CSDL nhà cao tầng) thơng tin chiều cao tòa nhà Phương pháp áp dụng hiệu cho toàn nhà cao tầng Để đảm bảo hình ảnh chiều cao xác, chiều cao tòa nhà coi thơng tin thuộc tính CSDL nhà cao tầng Các mơ hình khối nhà 3D mơ từ liệu này, truy vấn, tơ màu kết cấu cho mái mặt Hơn nữa, chiều cao mơ hình khối nhà thao tác thuộc tính chỉnh sửa thay đổi Hình thể kết trình từ quy hoạch thành phố đến số hóa, cập nhật thơng tin lồng ghép vào mơ hình thành phố 3D địa hình quy hoạch (Hình 8) - Phương pháp thứ hai, mơ hình 3D xây dựng từ phần mềm SketchUp để tạo hình ảnh 3D với nhiều yếu tố hình học chi tiết Các đối tượng phân loại thành nhóm (các tòa nhà, đối tượng vận chuyển, đối tượng thực vật), chiều cao tòa nhà mặt đất chiều cao sở thêm vào dấu chân tòa nhà thuộc tính mơi trường GIS Sau đó, đối tượng chuyển từ GIS vào phần mềm mơ hình 3D Các mơ hình 3D nhập vào thơng qua định dạng *.3ds, *.dae Hình minh họa mơ hình tiếp cận 3D định dạng *.dae Tiếp đó, thơng tin thuộc tính đối tượng thiết lập kết hợp với liệu từ đồ địa thơng tin địa tòa nhà (Hình 10) Hình Mơ hình 3D thành lập từ CSDL 2D Hình Tích hợp mơ hình khối nhà đường giao thơng (trục chính, đường đê, vỉa hè) 4.2 Đường giao thông Các lớp đối tượng giao thông, đường đê, vỉa hè sau số hóa phần mềm ArcGIS thành CSDL tích hợp vào mơ hình thành phố 3D Sử dụng phần mềm để chọn tô màu kết cấu đối tượng Ngồi tích hợp đầy đủ thơng tin lớp: công viên, xanh, mặt nước, đối tượng động, cơng trình nước, đường dây điện, vào mơ hình thành phố ảo (Hình 11) Hình 10 Thơng tin thuộc tính đối tượng mơ hình Phát triển số công cụ hỗ trợ công tác quy hoạch thị mơ hình thành phố ảo Việc sử dụng mơ hình thành phố ảo 3D cho báo cáo thuyết trình dự án xây dựng, 19 Hình 11 Kết tích hợp đường giao thơng vào mơ hình 3DCM 20 Mai Văn Sỹ/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 60 (4), 14 - 21 đề xuất thiết kế đô thị, kịch quy hoạch ứng dụng cụ thể tập trung nhiều quan tâm Trong khơng gian 3D xây dựng kịch riêng với hiệu ứng: Vị trí địa lý, tạo hoạt cảnh đối tượng chuyển động, mô q trình xây dựng tòa nhà, để trình chiếu, thuyết trình kế hoạch quy hoạch (Hình 12) Đối với nhà thiết kế đô thị, ứng dụng quan trọng dựa mơ hình thành phố ảo 3D phân tích trực quan Trong khơng gian 3D mơi trường ảo động, thơng qua việc tính tốn tầm nhìn qua mơ tầm nhìn người phân tích trực quan cho khu vực nhìn thấy để làm cho trình thiết kế thực tế khoa học Thông qua việc hạn chế chiều cao khu vực, việc kiểm soát khoảng cách tòa nhà với đường phố, kiểm sốt khơng gian mở, nhà thiết kế trình bày đầy đủ kết thiết kế thị kiểm sốt phân tích cách hiệu chất lượng hình ảnh không gian đô thị Khả quan sát hay tầm nhìn, chất lượng hình ảnh điều nhà quy hoạch cảnh quan thiết kế quan tâm hàng đầu Trong đó, phần mềm lập mơ hình thành phố ảo 3D lại cung cấp cơng cụ tính tốn góc nhìn tầm nhìn cách hiệu quả, tạo tiền đề cho việc phân tích trực quan Hình 13 thể tầm nhìn điểm tính tốn mơ hình 3DCM, khoảng xanh khoảng nhìn thấy khoảng màu đỏ khoảng bị che khuất Khả hình dung thay đổi kết cấu thị trải nghiệm thay đổi bối cảnh thực tế họ cho phép nhà quy hoạch, thiết kế nhà quản lý đánh giá, lựa phương án quy hoạch Hình 12 Mơ hình 3DCM phục vụ trình diễn khám phá thành phố tối ưu cách nhanh chóng, chi tiết để hỗ trợ việc định phê duyệt đồ án quy hoạch Với số ứng dụng trình bày trên, 3DCM cho thấy tác dụng việc cung cấp cho nhà quy hoạch, nhà quản lý cơng cụ mơ hình để xem xét rõ không gian ba chiều trình thiết kế quy hoạch, kiểm sốt tốt hình thức khơng gian thị quản lý quy hoạch sau Kết luận Bài báo nghiên cứu tổng hợp có hệ thống sở khoa học mơ hình thành phố ảo 3D phục vụ cho công tác quy hoạch quản lý thị, đồng thời đề xuất quy trình cơng nghệ xây dựng mơ hình thành phố ảo 3D phục vụ công tác quy hoạch, quản lý đô thị cách thức thực nghiệm xây dựng thành phố ảo 3D khu vực khu đô thị công nghiệp Kiến Thụy thuộc thành phố Hải Phòng nghiên cứu triển khai số ứng dụng mơ hình Kết thực nghiệm minh chứng khả ứng dụng mô hình thành phố ảo 3D cơng tác quy hoạch quản lý đô thị cho Khu đô thị công nghiệp Kiến Thụy, thành phố Hải Phòng Đồng thời cho thấy quy trình xây dựng thành phố ảo 3D hồn tồn làm tảng để phát triển nhân rộng ứng dụng mơ hình thành phố ảo 3D công tác quy hoạch phát triển khu đô thị khu công nghiệp nước Các công cụ phát triển thêm hỗ trợ đắc lực cho công tác quy hoạch quản lý quy hoạch, đặc biệt khả phân tích khơng gian mơ hình thành phố ảo như: phân tích tầm nhìn, Hình 13 Tầm nhìn điểm tính tốn mơ hình 3DCM Mai Văn Sỹ/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 60 (4), 14 - 21 phân tích hướng sáng, chiều cao cơng trình, mật độ xanh,… mang lại nhiều góc nhìn khác để cấp quản lý lựa chọn phương án tối ưu Tài liệu tham khảo Drogue G., Pfister L., Leviandier T., Humbert J., Hoffmann L., Idrissi A El., Iffly J F., 2003 Using 3D dynamic cartography and hydrological modelling for linear streamflow mapping Computers & Geosciences 29 (2) 243 Fuan T., Cyber C., 2013 Implementation, Visualization and applications Center for Space and Remote Sensing Research National University Central Taiwan Leonidas G., 2011 Anthopoulos, and Athena Vakali, Urban Planning and Smart Cities 21 Interrelations and Reciprocities Verlag Berlin Heidelberg Mao W Q., 2014 Study on the Construction and Application of 3D Geographic Information services for the Smart City in ISPRS Annals of the Photogrammetry Remote Sensing and Spatial Information Sciences II - Suzhou China Masahiko M., 2004 3D - GIS Application for Urban Planning based on 3D City Model PASCO Corporation Tokyo, Japan, 2004 Rita Y M L., 2017 5D GIS virtual heritage Procedia Computer Science 111 294 - 300 Sekar S P., 2001 Marching Towards Cyber City A Planning Perspective School of Architecture and Planning Anna University Chennai 600 025 India ABSTRACT Virtual 3D city technology for urban planning and management in Kien Thuy - Hai Phong Sy Van Mai Mien Duyen Hai Design Consultant Investment Joint Stock Company, Vietnam The rapid development of large cities requires powerful and efficient tools for the urban planning In the past, the main method for analysis, design and management of the urban planning was 2D maps Nowadays, the study on application of virtual 3D city models for surface modeling and urban planning has been focused in many researches Virtual 3D city models create completely new analyzing and designing opportunities for urban planners The visualization of design and planning concepts in the 3D context provides for more suitable solutions for urban planners From the virtual 3D city model, the urban planner will develop scenarios of planning and evaluating options through visual spatial analysis to select the optimal planning option This paper proposes a process of virtual 3D city models development The experiment was implemented in Kien Thuy industrial zone, Hai Phong city The virtual 3D city model of the study areas was developed and some results of virtual 3D city application in urban planning in Kien Thuy district, Hai Phong city also presented ... thành phố ảo 3D cho khu thị cơng nghiệp Kiến Thụy - Hải Phòng Từ đó, nghiên cứu số ứng dụng mơ hình thành phố ảo 3D quản lý quy hoạch đô thị Quy trình xây dựng thành phố ảo 3D Mơ hình thành phố. .. dựng thành phố ảo 3D khu vực khu đô thị công nghiệp Kiến Thụy thuộc thành phố Hải Phòng nghiên cứu triển khai số ứng dụng mơ hình Kết thực nghiệm minh chứng khả ứng dụng mơ hình thành phố ảo 3D công. .. quy hoạch quản lý đô thị cho Khu đô thị công nghiệp Kiến Thụy, thành phố Hải Phòng Đồng thời cho thấy quy trình xây dựng thành phố ảo 3D hồn tồn làm tảng để phát triển nhân rộng ứng dụng mơ hình