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 LUẬN ÁN TIẾN

Bản ghi

1 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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội, 2019

2 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 Ngành: Kỹ thuật Trắc địa Bản đồ Mã số : LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn Khoa học: PGS.TS Nguyễn Trường Xuân Hà Nội, 2019

3 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu, kết quả trong luận án trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào. Tác giả luận án Mai Văn Sỹ

4 ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN... i MỤC LỤC... ii DANH MỤC BẢNG BIỂU... vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ... vii MỞ ĐẦU... 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Tổng quan về công tác quy hoạch và quản lý đô thị ở nước ta Tổng quan về quy hoạch không gian, quy hoạch đô thị Yêu cầu của quy hoạch đô thị Thực trạng công tác lập đồ án quy hoạch và quản lý đô thị ở nước ta 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 Tổng quan về tình hình nghiên cứu ở Việt Nam Hướng nghiên cứu của đề tài luận án CHƯƠNG 2. CƠ SỞ KHOA HỌC XÂY DỰNG THÀNH PHỐ ẢO 3D PHỤC VỤ QUY HOẠCH VÀ QUẢN LÝ ĐÔ THỊ Thành phố ảo 3D Nội dung dữ liệu không gian của mô hình thành phố 3D Nhóm dữ liệu nền địa lý 3D Nhóm dữ liệu địa vật trong không gian đô thị Tích hợp từ các nguồn dữ liệu khác Nghiên cứu đề xuất cơ sở dữ liệu thành phố ảo 3D Khung tham chiếu không gian của dữ liệu Cấu trúc đồ họa đối tượng 3D Đề xuất cấp độ chi tiết trong mô hình thành phố ảo 3D... 56

5 iii Đề xuất nội dung và cấu trúc dữ liệu Đề xuất quy trình xây dựng thành phố ảo 3D phục vụ quy hoạch và quản lý đô thị Quy trình tổng quát Quy trình xây dựng bản đồ 3D từ ảnh viễn thám độ phân giải cao Đề xuất quy trình xây dựng mô hình thành phố ảo 3D phục vụ quy hoạch đô thị CHƯƠNG 3. THỰC NGHIỆM XÂY DỰNG MÔ HÌNH THÀNH PHỐ ẢO 3D KHU CÔNG NGHIỆP ĐÔ THỊ KIẾN THỤY, TP HẢI PHÒNG Giới thiệu khu vực nghiên cứu Xây dựng mô hình thành phố ảo 3D khu thử nghiệm Lựa chọn phần mềm Công tác chuẩn bị dữ liệu để xây dựng mô hình 3D Xây dựng mô hình thành phố ảo 3D Tích hợp phương án quy hoạch Số hóa phương án Chuẩn hóa dữ liệu không gian 3D phương án quy hoạch Tích hợp phương án quy hoạch lên mô hình thành phố ảo 3D Xây dựng một số công cụ phần mềm hỗ trợ Giới thiệu một số kết quả ứng dụng mô hình thành phố ảo 3D khu thực nghiệm Trình diễn các góc nhìn mô hình Phân tích và Mô phỏng KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ ĐÃ CÔNG BỘ CÓ LIÊN QUAN TỚI LUẬN ÁN TÀI LIỆU THAM KHẢO

6 iv LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện luận án, NCS đã nhận được sự giúp đỡ tận tình của các thầy hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Trường Xuân cũng các cán bộ, giảng viên thuộc Bộ môn Đo ảnh và Viễn thám, Bộ môn Bản đồ, khoa Trăc địa (Trường đại học Mỏ - Địa chất). NCS còn nhận được những ý kiến trao đổi thẳng thắn về chuyên môn cũng như sự hỗ trợ về tài liệu tham khảo của các nhà khoa học trong và ngoài nước, các cơ quan quản lý nhà nước thành phố Hải Phòng. NCS xin chân thành cảm ơn những sự giúp đỡ quý báu này. NCS xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Mỏ - Địa chất đã tạo mọi điều kiện để NCS có thể hoàn thành bản luận án. NCS cũng xin chân thành cảm ơn sự động viên, khích lệ của gia đình và bạn bè trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện luận án này. Hà Nội, tháng 3 năm 2019 NCS. Mai Văn Sỹ

7 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 2D 3D 3DCM BIM CSDL CGS CityGML GML DCM DEM DTM DLM GIS GPS GeoVE LOD LiDaR UAV IFC QHKG QHPK OGC SDI TIN 2-Dimension Hai chiều 3-Dimension Ba chiều 3D cartographic model Mô hình bản đồ 3D Building Information Modeling Cơ sở dữ liệu Computer Graphics Science - Khoa học máy tinh City Geography Mark-up language Geography Markup Language - Ngôn ngữ đánh dấu địa lý Digital Catorghaphic Model Mô hình số bản đồ Digital Elevation Model - Mô hình số độ cao Digital Terrain Model Mô hình số địa hình Digital Lanscape Model Mô hình số cảnh quan Geographic Information System Hệ thông tin địa lý Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu Geovirtual environments Môi trường địa lý ảo. Level-of-detail Light Detection And Ranging Công nghệ LiDaR Unmanned Air Vehicle Máy bay không người lái Industry Foundation Class Quy hoạch không gian Quy hoạch phân khu Open Geospatial Consortium Spatial Data Infrastructure - Hạ tầng dữ liệu không gian Triangular Irregular Network Mạng lưới tam giác không gian không đều

8 vi DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Quy định về độ chính xác về độ cao đối tượng 3D Bảng 3.1: Cơ cấu sử dụng đất của đồ án thiết kế quy hoạch Bảng 3.2: Các gói dữ liệu trong CSDL nền địa lý 1: Bảng 3.3: Tỷ lệ đất tối thiểu trồng cây xanh trong các lô đất xây dựng công trình Bảng 3.4: Diện tích đất cây xanh sử dụng công cộng trong các đô thị Bảng 3.5: Tiêu chuẩn không gian trong thiết kế tương quan

9 vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Một góc mô hình 3D thành phố Boston Hình 1.2: Một góc mô hình 3D thành phố NewYork Hình 1.3: Mô hình 3D khu vực đài tưởng niệm Lincoln tại Washington Hình 1.4: Mô hình 3D khu vực tòa tháp 101 tầng, Đài Bắc, Đài Loan Hình 1.5: Mô hình 3D thành phố SongDo, Hàn Quốc Hình 1.6: Mô hình thành phố 3D của Berlin, Cộng hòa liên bang Đức Hình 2.1: Ba thành phần cơ bản khung nhìn mô hình thành phố ảo 3D Hình 2.2: Phương pháp tích hợp cho dữ liệu vector địa lý Hình 2.3: Phương pháp Extrusion-based modeling được sử dụng để biểu diễn các sơ đồ tổng thể thông qua các mô hình khối và các cấu tạo bề mặt địa hình 41 Hình 2.4: Phương pháp tiếp cận mô hình 3D để tạo ra các biểu diễn quy hoạch như là mô hình 3D Hình 2.5: Minh họa phương pháp mô hình hóa dựa trên CityGML Hình 2.6: Đối tượng trên mô hình thành phố 3D Hình 2.7: Mô tả dựng hình 3D từ 5 loại đối tượng cơ sở Hình 2.8: Kiểu mô hình thành phố 3D của Shiode, dựa trên mức độ thực tế Hình 2.9: Kiểu mô hình thành phố 3D của Shiode, dựa trên các chức năng phân tích Hình 2.10: Kiểu mô hình thành phố 3D của Batty Hình 2.11: Một số kiểu biến thể về mặt hình học của một mô hình 3D ở LoD1 57 Hình 2.12: Các cấp độ chi tiết (LoD) trong mô hình thành phố ảo 3D Hình 2.13: Lược đồ cấu trúc của mô hình CSDL thành phố ảo 3D Hình 2.14: Khung CSDL phương án quy hoạch Hình 2.15: Lược đồ cấu trúc nhóm nội dung địa hình Hình 2.16: Lược đồ cấu trúc nhóm nội dung nhà và khối nhà... 67

10 viii Hình 2.17: Khung CSDL nhóm nội mô hình ngầm Hình 2.18: Khung CSDL nhóm nội mô hình cầu Hình 2.19: Lược đồ cấu trúc nhóm nội dung mặt nước Hình 2.20: Lược đồ cấu trúc nhóm nội dung giao thông Hình 2.21: Lược đồ cấu trúc nhóm nội dung thực vật Hình 2.22: Lược đồ cấu trúc nhóm nội dung sử dụng đất Hình 2.23: Quy trình xử lý và thành lập mô hình 3D Hình 2.24: Quy trình xây dựng mô hình thành phố ảo 3D bằng ảnh viễn thám độ phân giải cao Hình 2.25: Mô hình thành phố ảo 3D được thành lập từ ảnh viễn thám độ phân giải cao Hình 2.26: Quy trình xây dựng Mô hình thành phố ảo 3D phục vụ quy hoạch và quản lý đô thị Hình 3.1: Sơ đồ vị trí mối liên hệ vùng Hình 3.2: Cấu trúc hoạt động của Skyline Hình 3.3: Sơ đồ thiết kế lưới khống chế ảnh Hình 3.4: Bình đồ ảnh khu vực nghiên cứu được thành lập từ ảnh UAV Hình 3.5: Mô hình số bề mặt (DSM) Hình 3.6: Bản đồ địa hình tỷ lệ 1: Hình 3.7: Cấu trúc cơ sở dữ liệu Hình 3.8: Kết quả mô phỏng địa hình Hình 3.9: Phương án quy hoạch được số hóa trên phần mềm ArcGIS Hình 3.10: Thông tin lớp nhà cao tầng Hình 3.11: Mô hình mẫu cột đèn và đèn báo hiệu giao thông Hình 3.12: Thiết kế mô hình đối tượng trên phần mềm SketchUp Hình 3.13: Ký hiệu hạ tầng kỹ thuật Hình 3.14:Thư viện ký hiệu cây độc lập/thảm thực vật... 95

11 ix Hình 3.15: Ảnh cấu trúc sử dụng trong bản đồ 3D Hình 3.16: Gán các cấp độ LoD cho đối tượng khối nhà Hình 3.17: Mô hình 3D được thành lập từ CSDL 2D Hình 3.18: Tích hợp mô hình nhà xưởng vào mô hình 3DCM Hình 3.19:Tích hợp đường giao thông vào mô hình 3DCM Hình 3.20: Mặt nước được tích hợp vào mô hình thành phố 3D Hình 3.21: Cây xanh, công viên được tích hợp vào mô hình thành phố 3D Hình 3.22: Tàu điện được tích hợp vào mô hình thành phố 3D Hình 3.23:Mô phỏng các tuyến đường dây điện Hình 3.24: Mô phỏng các công trình cấp thoát nước Hình 3.25: Cơ sở dữ liệu mô hình 3DCM Hình 3.26: Giao diện chính phần mềm Mô hình thành phố ảo 3D Hình 3.27: Giao diện tiếng Việt, thân thiện với người dùng Hình 3.28: Chức năng tính toán hệ số sử dụng đất đoạn code sau để tính toán hệ số sử dụng đất: Hình 3.29: Thuộc tính đối tượng nhà và khối nhà Hình 3.30: Kiểm tra thiết kế tòa nhà đoạn code sau kiểm tra thiết kế tòa nhà: 109 Hình 3.31: Kiểm tra khoảng lùi của công trình đoạn code chức năng kiểm tra khoảng lùi công trình: Hình 3.32: Mô hình 3DCM phục vụ trình diễn và giới thiệu thành phố Hình 3.33: Bản đồ về kiểm soát chiều cao của trung tâm thành phố Hình 3.34: Tìm kiếm các đối tượng theo khoảng cách Hình 3.35: Tìm kiếm các đối tượng theo khu vực Hình 3.36: Phân tích tầm nhìn Hình 3.37: Bóng tòa nhà Hình 3.38: Mô hình khái quát của hệ thống

12 1 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. Nó là nghệ thuật sắp xếp tổ chức các không gian chức năng, khống chế hình thái kiến trúc trong đô thị trên cơ sở điều tra, dự báo, tính toán sự phát triển, đặc điểm, vai trò, nhu cầu và nguồn lực của đô thị, nhằm cụ thể hóa chính sách phát triển, giảm thiểu các tác động có hại phát sinh trong quá trình đô thị hóa, tận dụng tối đa mọi nguồn lực, và hướng tới sự phát triển bền vững. 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 2D, nó có ý nghĩa to lớn đối với các nhà quản lý và thiết kế đô thị trong giai đoạn hiện nay. Thay vì được mô tả bằng văn bản, các sơ đồ thiết kế, quy hoạch thành phố và các quy tắc có thể được trình bày và phân tích trong môi trường mô phỏng 3D. Việc thay đổi kết cấu đô thị và mật độ xây dựng có thể được phân tích thông qua việc phân tích cấu trúc. Môi trường tiếng ồn, tình trạng ánh sáng, môi

13 2 trường nhiệt, điều kiện thông gió và tình trạng ô nhiễm môi trường có thể được phân tích thông qua việc tính các chỉ số không gian của đô thị. Việc kiểm soát chiều cao, màu sắc và kiến trúc các tòa nhà và các đánh giá của môi trường xung quanh các tòa nhà và đường phố có sẵn dựa trên các phân tích trực quan bở dữ liệu số. Việc phân tích sự phân bố của các khu chức năng khác nhau và vị trí thích hợp của nó có thể thông qua phân tích tương quan trong không gian 3D. Vì vậy, chúng ta cần có các chiến lược quản lý hiện đại ứng dụng công nghệ thông tin như hệ thông tin địa lý, dịch vụ thông tin dựa trên internet, hiển thị 3D, công nghệ mô phỏng nhằm hỗ trợ việc ra quyết định và cải thiện thông lượng truyền thông giữa các cơ quan chức năng, người dân và các doanh nghiệp. Cho đến nay ở nước ta, 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 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. Trên thế giới, việc ứng dụng các mô hình thành phố ảo 3D trong công tác quy hoạch, thiết kế và 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 đồ số, GIS và công nghệ tin học để xây dựng các mô hình 3D phục vụ

14 3 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 và quy 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. Phạm vi nghiên cứu - Mô hình thành phố ảo 3D phục vụ quy hoạch và quản lý đô thị. - Thực nghiệm tại Khu đô thị công nghiệp Kiến Thụy, TP Hải Phòng. 5. Nội dung nghiên cứu - Tổng quan tình hình nghiên cứu xây dựng mô hình thành phố ảo 3D phục vụ công tác quy hoạch và quản lý đô thị trên thế giới và việt Nam. - Nghiên cứu cơ sở khoa học xây dựng thành phố ảo 3D, trong đó đề xuất danh mục nội dung, cấu trúc, cấp độ chi tiết của mô hình thành phố ảo 3D từ cơ sở dữ liệu nền địa lý kết hợp với đồ án thiết kế quy hoạch và các tư liệu liên quan khác.

15 4 - Đề xuất 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. - Thực nghiệm xây dựng mô hình thành phố ảo 3D Khu đô thị công nghiệp Kiến Thụy, thành phố Hải Phòng. 6. 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 vực công nghệ thông tin. 7. 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

16 5 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. 8. 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 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. 9. 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. 10. Cấu trúc của luận án Luận án được trình bày trong 133 trang khổ giấy A4, trong đó có 6 bảng biểu, 70 hình vẽ và được cấu trúc thành: Mở đầu 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

17 6 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. Kết luận và kiến nghị. Tài liệu tham khảo.

18 7 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 Tổng quan về quy hoạch không gian, quy hoạch đô thị Quy hoạch không gian hay quy hoạch xây dựng là việc tổ chức và định hướng không gian vùng, không gian đô thị và dân cư, hệ thống công trình hạ tầng kỹ thuật, hạ tầng xã hội, tạo lập môi trường sống thích hợp cho người dân sống tại các lãnh thổ đó, đảm bảo kết hợp hài hòa giữa lợi ích quốc gia và lợi ích cộng đồng, đáp ứng được các mục tiêu phát triển kinh tế - xã hội, quốc phòng - an ninh và bảo vệ môi trường [1]. Như vậy, quy hoạch không gian (QHKG) là một hoạt động nhằm tạo ra một chuỗi có trật tự các hành động dẫn dắt tới việc thực hiện một hay nhiều mục tiêu đã dự kiến. Các kỹ thuật chính của quy hoạch là các văn bản tường trình được bổ sung theo nhu cầu những dự báo thống kê, những công thức toán, những đánh giá số lượng và những biểu bảng minh họa cho các quan hệ giữa các bộ phận khác nhau của dự án [2]. Nó có thể, nhưng không nhất thiết phải bao gồm các bản vẽ không gian chính xác của các đối tượng. Quy hoạch không gian là một phương thức quy hoạch mới, được áp dụng hiệu quả ở các nước và nhiều thành phố trên thế giới trong nhiều năm qua. Tương tự như các loại hình quy hoạch khác, QHKG luôn đi trước các hoạt động phát triển và đóng vai trò hỗ trợ kiểm soát phát triển các đô thị và lãnh thổ. Quy hoạch không gian và quản lý không gian đòi hỏi xác lập một cơ chế phối hợp liên ngành, liên cơ quan, liên vùng trong quản lý và giải quyết đồng bộ các quan hệ phát triển khác nhau, trong đó quan hệ giữa các mảng không gian và tổ chức không gian hợp lý cho phát triển kinh tế bền vững là một trong những nhiệm vụ quan trọng và cần đi trước một bước.

19 8 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. 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. Quy hoạch đô thị là việc tổ chức không gian, kiến trúc, cảnh quan đô thị, hệ thống công trình hạ tầng kỹ thuật, công trình hạ tầng xã hội và nhà ở để tạo lập môi trường sống thích hợp, phù hợp với chiến lược phát triển tổng thể kinh tế xã hội, môi trường, ứng phó với biến đổi khí hậu, sử dụng năng lượng tiết kiệm, hiệu quả, đảm bảo an ninh quốc phòng, được thể hiện thông qua đồ án quy hoạch đô thị. Theo đó, có một số mức quy hoạch như sau: - Quy hoạch chung là việc tổ chức không gian, hệ thống các công trình hạ tầng kỹ thuật, công trình hạ tầng xã hội và nhà ở cho một đô thị phù hợp với sự phát triển kinh tế xã hội của đô thị, bảo đảm quốc phòng, an ninh và phát triển bền vững. - Quy hoạch phân khu là việc phân chia và xác định chức năng, chỉ tiêu sử dụng đất quy hoạch đô thị của các khu đất, mạng lưới công trình hạ tầng kỹ thuật, công trình hạ tầng xã hội trong một khu vực đô thị nhằm cụ thể hóa nội dung quy hoạch chung. - Quy hoạch chi tiết là việc phân chia và xác định chỉ tiêu sử dụng đất quy hoạch đô thị, yêu cầu quản lý kiến trúc, cảnh quan của từng lô đất; bố trí công trình hạ tầng kỹ thuật, công trình hạ tầng xã hội nhằm cụ thể hóa nội dung của quy hoạch phân khu hoặc quy hoạch chung. Bản chất và sự khác biệt giữa quy hoạch chung, quy hoạch phân khu, quy

20 9 hoạch chi tiết đô thị nằm ở mức độ yêu cầu của nội dung nghiên cứu, cách thức thể hiện (tỉ lệ bản đồ), thời gian quy hoạch, cấp phê duyệt của từng loại đồ án và tính quan hệ, phụ thuộc giữa chúng (Quy hoạch chung/quy hoạch cấp trên; quy hoạch phân khu, quy hoạch chi tiết/quy hoạch cấp dưới) Yêu cầu của quy hoạch đô thị 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 hiệu quả nhất. Nội dung hồ sơ nhiệm vụ quy hoạch chung đô thị đã được quy định tại Thông tư 12/2016/TT-BXD ngày 29/06/2016 bao gồm: - Sơ đồ vị trí và liên hệ vùng: Xác định vị trí, ranh giới lập quy hoạch; thể hiện các mối quan hệ giữa đô thị và vùng, khu vực có liên quan về kinh tế - xã hội; điều kiện địa hình, địa vật, các vùng có ảnh hưởng lớn đến kiến trúc cảnh quan đô thị; hạ tầng kỹ thuật đầu mối và các vấn đề khác tác động đến phát triển

21 10 đô thị. Thể hiện trên nền bản đồ địa hình theo tỷ lệ thích hợp. - Bản đồ hiện trạng: Sử dụng đất, kiến trúc cảnh quan, hệ thống hạ tầng xã hội (giáo dục, y tế, văn hóa, thương mại, cây xanh, nhà ở,...); hiện trạng giao thông, cấp điện và chiếu sáng đô thị, cấp nước, cao độ nền và thoát nước mưa, thoát nước bẩn; thu gom chất thải rắn, nghĩa trang, môi trường. Thể hiện trên nền bản đồ địa hình tỷ lệ 1:2.000 hoặc 1: Bản đồ đánh giá tổng hợp về đất xây dựng trên cơ sở từ thuyết minh có tiêu chí đánh giá phù hợp về địa hình, điều kiện hiện trạng, địa chất thủy văn; đánh giá về giá trị sử dụng đất: Xác định các khu vực thuận lợi, ít thuận lợi, không thuận lợi cho phát triển các chức năng đô thị; xác định các vùng cấm, hạn chế phát triển đô thị. Thể hiện trên nền bản đồ địa hình tỷ lệ 1:2.000 hoặc 1: Sơ đồ cơ cấu phát triển đô thị (các sơ đồ phân tích hiện trạng và đề xuất các phương án kèm theo thuyết minh nội dung về tiêu chí xem xét, lựa chọn các phương án). Thể hiện theo tỷ lệ thích hợp. - Bản đồ định hướng phát triển không gian đô thị. Thể hiện trên nền bản đồ địa hình tỷ lệ 1:2.000 hoặc 1: Bản đồ quy hoạch sử dụng đất và phân khu chức năng theo các giai đoạn quy hoạch. Thể hiện trên nền bản đồ địa hình tỷ lệ 1:2.000 hoặc 1: Các bản đồ định hướng phát triển hệ thống hạ tầng kỹ thuật. Thể hiện trên nền bản đồ địa hình tỷ lệ 1:2.000 hoặc 1: Các bản vẽ thiết kế đô thị theo quy định của Bộ Xây dựng tại Thông tư số 06/2013/TT-BXD ngày 13/05/ Các bản vẽ về đánh giá môi trường chiến lược: Hiện trạng và đánh giá môi trường chiến lược. Thể hiện trên nền bản đồ địa hình theo tỷ lệ thích hợp. Như vậy có thể thấy tầm quan trọng không thể thiếu của các sản phẩm bản đồ (2D) trong công tác lập quy hoạch nói chung và lập quy hoạch đô thị nói

22 11 riêng. 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 hiệu quả nhất 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. Bản đồ quy hoạch chung tỉ lệ 1:5.000 có giá trị xác định các khu vực chức năng, những định hướng tính giao thông, sẽ rõ ràng mốc giới, địa giới của các phần đất dành để phát triển hạ tầng đường, cầu, cống, điện, trường học, khu dân cư, cây xanh, hồ nước... Có thể nói, bản đồ quy hoạch 1:5.000 là cơ sở gốc để xác định mục tiêu phát triển, kêu gọi đầu tư cũng như vấn đề giải phóng mặt bằng, đền bù, di dân... Bản đồ quy hoạch phân khu tỉ lệ 1:2.000 nhằm phân chia và xác định chức năng sử dụng đất và mạng lưới công trình hạ tầng nhằm cụ thể hóa nội dung của quy hoạch chung đô thị. Nội dung của quy hoạch phân khu bao gồm: xác định phạm vi ranh giới, diện tích, tính chất khu vực lập quy hoạch, chỉ tiêu dự kiến về dân số, sử dụng đất, hạ tầng xã hội, hạ tầng kỹ thuật đối với từng ô phố và đấu nối hạ tầng kỹ thuật chung; xác định chức năng sử dụng đất cho từng khu đất; nguyên tắc tổ chức không gian, kiến trúc cảnh quan và đánh giá tác môi trường

23 12 chiến lược. Mặt khác quy hoạch này có nhiều nội dung xác định vị trí công trình kỹ thuật và ranh giới trên đất. Do đó quy hoạch này liên quan mật thiết với quyền sờ hữu về đất đai (về quyền sử dụng đất), vì vậy nó có giá trị pháp lý cao, nó là căn cứ để giải quyết tranh tụng. Bản đồ quy hoạch chi tiết tỉ lệ 1:500 cụ thể hóa nội dung quy hoạch phân khu và quy hoạch chung. Bản đồ quy hoạch chi tiết bố trí cụ thể tất cả các công trình trên đất. Về hạ tầng kỹ thuật, quy hoạch chi tiết bố trí đến từng ranh giới lô đất. Nói cách khác, bản đồ quy hoạch chi tiết 1:500 chính là quy hoạch tổng mặt bằng của các dự án dầu tư xây dựng, là cơ sở để định vị công trình, thiết kế cơ sở, thiết kế kỹ thuật xây dụng công trình và thực hiện xây dựng Thực trạng công tác lập đồ án quy hoạch và quản lý đô thị ở nước ta Có thể khẳng định, quy hoạch đô thị đã mang lại hiệu quả to lớn, làm tiền đề, cơ sở để triển khai các dự án đầu tư trên mọi lĩnh vực nhằm thúc đẩy kinh tế - xã hội phát triển, nâng cấp nhiều đô thị, từng bước nâng cao chất lượng cuộc sống của nhân dân. Tuy nhiên, thời gian qua, công tác quy hoạch đô thị còn khá nhiều bất cập, hạn chế. Hiện nay trên thế giới, việc áp dụng các công nghệ tiên tiến trong nghiên cứu và thiết kế quy hoạch đã trở nên rất phổ biến. Đối với nước ta, đây cũng là một yếu tố quan trọng để nâng cao chất lượng đồ án và tiết kiệm thời gian. Trong những năm gần đây, nhiều phần mềm vi tính cũng như các công nghệ phụ trợ đã được khai thác sử dụng khá rộng rãi trong công tác quy hoạch, nhưng chủ yếu vẫn hạn chế ở mức độ thể hiện sản phẩm. Việc nghiên cứu lựa chọn và chuyển giao công nghệ phần mềm để phục vụ quá trình nghiên cứu thiết kế các đồ án quy hoạch, nâng cao chất lượng trang thiết bị cho phù hợp chưa được quan tâm và đầu tư thích đáng trong các tổ chức tư vấn và nghiên cứu thiết kế quy hoạch để quốc tế hoá sản phẩm, đáp ứng yêu cầu mở rộng quan hệ, giao lưu trong quá trình hội nhập của đất nước.

24 13 Về cơ bản, trình tự lập quy hoạch ở các nước trên thế giới là tương đối giống nhau. Tuy nhiên nội dung và phương pháp nghiên cứu cụ thể có những sự khác nhau mà chúng phụ thuộc vàp thực tế của mỗi nước và nó được thống nhất trong toàn bộ một quốc gia. Ở nước ta hiện nay, phương pháp luận quy hoạch chưa được chuẩn hoá. Việc triển khai các đồ án chủ yếu dựa vào một số văn bản quy định và hướng dẫn của Chính phủ và của Bộ Xây dựng. Việc vận dụng các văn bản chưa thống nhất trên cả nước, mỗi nơi mỗi khác. Những văn bản này hiện nay có một số ưu điểm không còn phù hợp với tỉnh hình thực tế cả về nội dung cũng như về mức độ nghiên cứu, do đó nhiều đồ án đã lúng túng trong quá trình nghiên cứu triển khai. Việc điều chỉnh sửa đổi các văn bản hiện hữu, đổi mới nội dung và xây dựng phương pháp luận quy hoạch trên cơ sở các đề tài nghiên cứu khoa học là một việc cần thiết và cấp bách để tạo ra một hệ thống các quy định, tiêu chuẩn quy phạm phù hợp, nhằm nâng cao chất lượng và hiệu quả của các đồ án. Bên cạnh nhiều thành tựu của công tác quy hoạch ở nước ta vẫn còn không ít những tồn tại, hạn chế: - Chất lượng công tác quy hoạch chưa cao, chưa có tầm nhìn xa, công tác phân tích và dự báo về thị trường còn thiếu tin cậy; tính khả thi chưa cao, chưa phù hợp với khả năng huy động các nguồn lực để thực hiện. Nhiều quy hoạch mang tính tình thế, thiếu tính khoa học, ảnh hưởng đến tiến trình chuyển đổi cơ cấu kinh tế, hạn chế tăng trưởng kinh tế, gây lãng phí lớn tài nguyên thiên nhiên. Chất lượng của nhiều đồ án quy hoạch còn thấp, chưa đáp ứng được yêu cầu; chất lượng dự báo thấp nên phải điều chỉnh trước thời hạn; một số đồ án quy hoạch xây dựng thiếu cập nhật các quy hoạch định hướng hạ tầng diện rộng của vùng, của quốc gia nên khi triển khai gặp vướng mắc phải điều chỉnh. - Các quy hoạch phát triển đô thị, khu dân cư, hạ tầng xã hội ở các tỉnh, thành phố thiếu đồng bộ, triển khai chậm, chưa theo kịp tốc độ đô thị hóa. Hiện

25 14 vẫn còn xảy ra tình trạng không ăn khớp giữa quy hoạch tổng thể và quy hoạch chi tiết, nhiều quy hoạch chi tiết triển khai trước khi có quy hoạch tổng thể hoặc không căn cứ vào quy hoạch tổng thể, dẫn đến phải thay đổi nhiều lần. - Hệ thống tổ chức cũng như đội ngũ cán bộ làm công tác quy hoạch từ trung ương đến địa phương còn thiếu về số lượng, yếu về chất lượng. Công tác đào tạo cán bộ quy hoạch chưa đúng tầm. Hiện nay cả nước chưa có cơ sở chuyên đào tạo chuyên gia cho công tác quy hoạch. - Việc lập và thực hiện các quy hoạch chuyên ngành trên cùng một địa bàn còn thiếu đồng bộ, dẫn đến các dự án ĐTXD chuyên ngành cũng không đồng bộ. - Việc công bố, công khai và cung cấp thông tin QHXD chưa được thực hiện nghiêm túc theo quy định tại Điều 32, 33 Luật Xây dựng; Điều 53, 54, 55 Luật quy hoạch đô thị; Điều 38, 39 Nghị định số 08/2005/NĐ-CP. Tham gia của cộng đồng dân cư trong quá trình lập quy hoạch theo quy định tại các Điều 20, 21 Luật QHĐT chưa được thực hiện có hiệu quả, nhiều khi mang tính hình thức. - Quản lý QHXD và quản lý đầu tư theo QHXD (Điều 34 Luật Xây dựng, Điều 69 Luật Quy hoạch đô thị) còn nhiều yếu kém, để xảy ra tình trạng nhiều dự án không tuân theo QHXD vì lợi ích cục bộ (như chuyển đổi đất từ quy hoạch là đất dành cho công trình công cộng thành đất để xây dựng công trình dịch vụ...) làm ảnh hưởng đến chất lượng sử dụng lâu dài không chỉ đối với một dự án mà là của cả một khu vực. Công tác kiểm tra, thanh tra thực hiện theo quy hoạch đã duyệt nhìn chung còn buông lỏng. 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

26 15 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 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 Từ khi GIS phát triển từ biểu diễn 2D sang biểu diễn 3D từ năm 1960, GIS 3D thường được xem là một chủ đề kỹ thuật, nơi mà cấu trúc dữ liệu 3D, xử lý và hiển thị được thực hiện. Việc hiển thị hiệu quả của môi trường xây dựng 3D phức tạp vẫn là một thách thức đối với các nhà quy hoạch đô thị. Với những tiến bộ mới nhất trong công nghệ GIS về lập kế hoạch và phân tích đô thị định lượng [80], tồn tại nhu cầu lớn về việc tích hợp hiệu quả và hiệu lực GIS 3D cho mục đích quy hoạch đô thị để tăng cường phân tích, lập kế hoạch và ra quyết định [50]. Đặc điểm chính của GIS 3D là phát triển kịch bản dựa trên các phân tích và tạo ra các kịch bản [71]. GIS 3D hỗ trợ phân tích không gian, lập kế hoạch và ra quyết định theo hai cách: Trước tiên, sử dụng khả năng lưu trữ và

27 16 truy xuất dữ liệu, cung cấp khả năng truy xuất và chia sẻ dữ liệu nhanh chóng và hiệu quả để hỗ trợ các quyết định lập kế hoạch. Thứ hai, bằng khả năng phân tích đô thị 3D tích hợp của nó, cho phép các phương án khác nhau được mô hình hóa [71], [51]. Có nhiều phương pháp tạo ra các mô hình thành phố 3D mà chủ yếu phụ thuộc vào số liệu GIS [39]. Công cụ mô hình hình học thông thường như CAD, thường được sử dụng trong hệ thống lập kế hoạch của Ấn Độ, không đủ năng lực để hiển thị các không gian đô thị lớn [55]. Phương pháp mô hình hình học được ưa thích nhất của thành phố là kỹ thuật đùn trong GIS cho các khối thể tích sinh khối. Kết hợp công cụ hình ảnh 3D và hiển thị 3D có thể là công cụ quy hoạch đô thị hiệu quả và mạnh mẽ hơn [71]. Việc ứng dụng GIS 3D đã bắt đầu ảnh hưởng đến lĩnh vực quy hoạch. GIS 3D hiện đang được sử dụng để mô hình hóa môi trường đô thị và khám phá các kịch bản phát triển, hình dung các kế hoạch sử dụng đất thay thế và tác động của chúng đối với môi trường đô thị [75]. Các mô hình GIS 3D có thể liên hệ quá khứ, hiện tại và phát triển có thể trong tương lai của môi trường xây dựng, phản ánh chặt chẽ thế giới thực [79]. Yin và Hastings [80] đã chứng minh các ứng dụng của GIS 3D trong phân tích hiển thị và mô hình được tạo ra đã được sử dụng để đánh giá quy định trong quy hoạch liên quan đến hạn chế chiều cao xây dựng ở thành phố New York, [72] đã sử dụng 3D GIS để mô phỏng quá trình phát triển của đô thị từ năm 1927 đến năm Các cơ quan phát triển trên khắp thế giới đã tạo ra các mô hình thành phố ảo để kiểm soát và quản lý sự phát triển đô thị, đảm bảo đúng quy hoạch, đúng tiêu chuẩn kiến trúc, kiểm soát quyền và hạn chế quyền trong xây dựng, các hành lang an toàn về chiều cao và phạm vi. Nhiều mô hình đã lồng ghép các quy định quy hoạch vào mô hình mô phỏng [22], [35]. Mô hình GIS 3D, với các chức năng hiển thị và phân tích sẽ cho phép các nhà quy hoạch đô thị truyền đạt hiệu quả các kế hoạch phát triển trong tương lai [71], [79]. Với bản đồ GIS 2D thì một loạt các phân tích không

28 17 gian chỉ mang lại hiệu quả về mặt bằng [23], sử dụng dữ liệu 3D đã làm tăng các ứng dụng, đặc biệt là các phân tích theo chiều cao và cả chiều sâu dưới đất. Bề mặt ảo của địa hình đô thị 3D có thể hỗ trợ tốt cho các thiết kế về đường cống thoát nước, hệ thống công trình ngầm, bố trí giao thông, hồ ao nhân tạo [81]. Kể từ đó, GIS 3D được xây dựng trên cơ sở dữ liệu GIS 2D, một loạt các phân tích không gian được thực hiện, chẳng hạn như, xem phân tích không gian, truy vấn không gian và mô phỏng 2D, 3D [80]. 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 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]. 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 kết hợp với các ký hiệu mô phỏng đối tượng trên bề mặt trái đất với các cấp độ chi tiết khác nhau đã làm cho việc ứng dụng 3D GIS trong công tác quy hoạch ngày càng trở lên phổ biến hơn. Đặc biệt, sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ tin học đã tạo ra những bước đột phá trong công tác quy hoạch, việc triển khai

29 18 xây dựng các hệ thống CyberCity (thành phố ảo) hay SmartCity (thành phố thông minh) đã và đang được nghiên cứu và ứng dụng trong công tác quy hoạch của nhiều tác giả trên thế giới [44], [58], [42], [59], [56], [74]. Các nước phát triển đã và đang nghiên cứu thành lập mô hình 3D cho 100 thành phố ở Châu Âu và Bắc Mỹ do hãng BlomInfo xây dựng để cung cấp dữ liệu cho tập đoàn TeleAtlas. Nguồn dữ liệu này đã được sử dụng trong quy hoạch, viễn thông, điều hành quản lý thành phố rất hữu hiện. Hãng Microsoft đã tiến hành xây dựng mô hình 3D cho các khu trung tâm thành phố, các nhà cao tầng trọng điểm, các khu du lịch nổi tiếng trên toàn thế giới để cung cấp cho Google Earth, Virtual Earth hay Bing Map trong các dịch vụ Web. Tại Thụy Sỹ, cơ quan quản lý dữ liệu địa hình quốc gia Swiss Topo từ năm 2008 đã tiến hành nghiên cứu và xây dựng mô hình cảnh quan địa hình trên cả nước. Đây là mô hình dữ liệu bản đồ 3D được thành lập ở mức chi tiết cao, được dùng làm dữ liệu nền cơ bản trong cơ sở dữ liệu không gian quốc gia của Thụy Sỹ. Đan Mạch cũng là nước đầu tư xây dựng mô hình 3D các khu vực đô thị từ năm 2004, đến 2008 đã xây dựng mô hình 3D cho 2,2 triệu ngôi nhà trên toàn quốc, tiến tới hoàn thiện xây dựng CSDL không gian địa lý quốc gia mô hình 3D cho tất cả các đối tượng nhà và công trình kiến trúc. Tại Vương quốc Anh, tổng Công ty Ordnance Survey và các hãng sản xuất đã tiến hành nghiên cứu, xây dựng hạ tầng dữ liệu không gian quốc gia (dưới sự điều hành của chính phủ Anh), tromng đó xây dựng CSDL mô hình 3D cho các đối tượng là công trình xây dựng, cơ sở hạ tầng văn hóa cho tất cả các thành phố lớn tại Anh theo chuẩn dữ liệu CityGML Tại Nhật Bản, nhiều giải pháp khác nhau được đề xuất cho công tác quy hoạch, trong các đề xuất này thì mô hình thành phố 3D được cho là có tính ưu việt hơn cả bởi nó mang lại cái nhìn trực quan nhất và có khả năng phân tích nhờ các công cụ phân tích của GIS.

30 19 Hình 1.1: Một góc mô hình 3D thành phố Boston (Nguồn: Tại Mỹ, nhiều thành phố đã ứng dụng công nghệ Cyber City trong xây dựng mô hình đô thị 3D mang lại nhiều lợi ích như Boston, NewYork, San- Francisco, Chicago, Washington DC,... Các mô hình này có tính trực quan cao và được lưu trữ trong server, người dùng có thể xem và tương tác thông qua mạng internet với phần mềm Skyline, Hình 1.2: Một góc mô hình 3D thành phố NewYork (Nguồn:

31 20 Hình 1.3: Mô hình 3D khu vực đài tưởng niệm Lincoln tại Washington (Nguồn: Google map/washingtondc/) Tại Đài Loan (Trung Quốc), cũng đã sớm đưa công nghệ 3D vào xây dựng các thành phố ảo phục vụ quy hoạch cơ sở hạ tầng và phát triển kinh tế và văn hóa - xã hội. Hình 1.4: Mô hình 3D khu vực tòa tháp 101 tầng, Đài Bắc, Đài Loan (Nguồn:

32 21 Hình 1.5: Mô hình 3D thành phố SongDo, Hàn Quốc (Nguồn: Trong dự án "Hệ thống thông tin đất đai dựa trên các mô hình thành phố 3D" là sự hợp tác một công ty liên doanh của Viện Hasso-Plattner-Potsdam, Đại học Kỹ thuật Berlin và Công ty trách nhiệm hữu hạn 3DGeo GmbH. Nhằm mục đích phát triển một hệ thống thông tin và truyền thông để quản lý đất đai dựa trên các môi trường địa lý ảo. Cụ thể hơn, công trình nghiên cứu đề cập đến sự phát triển của các kỹ thuật, công cụ và phương pháp cần thiết để triển khai thành công các mô hình thành phố ảo 3D nhằm hỗ trợ quyết định trong quản lý đất đô thị. Nó được xây dựng dựa trên các mô hình và công nghệ mô hình 3D ảo (Hình 1.7) và chuyên môn cao của các đối tác với việc thiết lập và sử dụng GeoVE trong quy hoạch môi trường và đô thị, quản lý bất động sản và tư vấn của các nhà đầu tư.

33 22 Hình 1.6: Mô hình thành phố 3D của Berlin, Cộng hòa liên bang Đức (Nguồn: A. Krügera, T. H. Kolbea. 2012) 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. Trong nhu cầu phối hợp tốt hơn giữa các nhóm các đơn vị liên quan khác nhau và để có sự phối hợp tốt hơn và trao đổi thông tin giữa các ngành nghề, các khái niệm quản lý đất đai đô thị trong thời đại hiện nay là các phương pháp tiếp cận tổng hợp. Tích hợp thông qua các yếu tố và khái niệm có sự tham gia, hợp tác và đưa ra các yêu cầu về xã hội, kinh tế và môi trường vào quá trình lập kế hoạch và quản lý, và các hoạt động xây dựng được điều phối tốt hơn và dữ liệu (không gian) sử dụng hiệu quả hơn và bình đẳng đối với các bên liên quan đến nhân dân và có thể tiếp cận được. Các khái niệm và mục tiêu như vậy được tóm tắt trong thuật ngữ "Quản lý đô thị trong thời đại 3D/4D" như đã thảo luận trong "Chiến dịch Toàn cầu về Quản lý Đô thị" của Liên Hợp Quốc [77]. Đơn vị UN-HABITAT cũng cung cấp một mô tả về thuật ngữ quản lý đô thị phản ánh một khái niệm toàn diện: "Quản

34 23 lý đô thị là tổng hợp của nhiều cá nhân và tổ chức, công cộng và nhân dân, lên kế hoạch và quản lý công việc chung của thành phố [77]. Việc con người đưa lợi ích vào các quá trình ra quyết định về không gian và môi trường và nói chung trong quản lý đất đai đô thị cũng như việc hội nhập chặt chẽ hơn giữa các nguyên tắc đặt ra thách thức thông tin và truyền thông: Các bên liên quan, các tổ chức quan trọng và cá nhân tất cả đều làm theo, và các lợi ích phức tạp, có những kỹ năng, kiến thức và nguồn gốc khác nhau. Vì vậy, không đảm bảo được các bên liên quan hiểu được nhu cầu và lập luận của nhau. Trong trường hợp này, động lực chính của luận án bắt nguồn từ: Hiển thị - cho dù đó là phác thảo vẽ tay để minh hoạ ý tưởng, kế hoạch xây dựng chi tiết, kỹ thuật kết xuất ảnh chụp thực, bản đồ chuyên đề hoặc mô hình vật lý 3D thường xuyên phục vụ trong quy hoạch không gian và môi trường (SEP), trong ngành Kiến trúc, Xây dựng và Kỹ thuật (ACE) để chia sẻ thông tin không gian, các khái niệm thiết kế và tăng cường sự hiểu biết giữa các nhóm người. Trên thực tế, hình ảnh trực quan cho các công cụ cơ bản của các nhà lập kế hoạch, kỹ sư và kiến trúc. Điều đáng chú ý là nghệ thuật của ảnh trực quan trong SEP và trong ngành công nghiệp ACE đã trở nên hoàn toàn bằng kỹ thuật số. Tùy thuộc vào nhiệm vụ của một kế hoạch hoặc một loạt dự án dựa vào máy tính, bao gồm Hệ thông tin địa lý (GIS), các công cụ thiết kế và lập mô hình máy tính (CAD/CAM), phần mềm xử lý hình ảnh, phần mềm ảnh động và thông tin dựa trên web và hệ thống truyền thông là những thành phần phổ biến trong quy trình quản lý đo thị và quy hoạch đô thị. Nhận thức rõ về khả năng của các ảnh trực quan, các dữ liệu liên tục số hóa và tiến trình công việc trong SEP, ACE, ý tưởng sử dụng mô hình GeoVE (utilizing geovirtual environments - GeoVE) đưa ra nghiên cứu hiện tượng không gian, các khái niệm không gian, tăng cường hiểu biết về chức năng không gian và nâng cao nhận thức về vấn đề đã được phát triển từ khoảng hai thập kỷ.

35 24 Thuật ngữ GeoVE được sử dụng như một phép ẩn dụ thống nhất cho các phương pháp đa dạng để tạo môi trường ảo tương tác trên máy tính của các cảnh quan hoặc thành phố thực để khám phá và truyền thông dữ liệu không gian, các khái niệm, quá trình và hiện tượng. Nó bao gồm các khái niệm về thành phố ảo, các môi trường địa lý ảo (virtual geographic environments -VGE), hình ảnh 3D tương tác trực quan và thực tế ảo (virtual reality -VR). Ý tưởng cơ bản và tiềm ẩn trong bối cảnh lập kế hoạch và quản lý môi trường là nếu có thể tạo mô hình kỹ thuật số 3D cho môi trường thực tế, chúng có thể là "sandboxes " để tích hợp và truy cập vào các thiết kế, thử nghiệm các giải pháp thay thế và các kịch bản trong tương lai, phân tích 3D và cuối cùng hỗ trợ phát triển các giải pháp tối ưu cho các nhiệm vụ đang diễn ra. Nói tóm lại, đó là tầm nhìn của một mô hình tính toán của thế giới thực, cho phép chúng ta hiểu rõ không gian và tối ưu hóa việc sử dụng 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

36 25 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. Công nghệ GIS đã được ứng dụng trong công tác quy hoạch ở nước ta từ những năm cuối của thế kỷ 20 [6]. Một số công trình nghiên cứu, ứng dụng GIS trong công tác quy hoạch cũng đã được tiến hành triển khai theo những khía cạnh khác nhau và đã được áp dụng thí điểm cho một số tỉnh, thành phố như Hà Nội, Đà Lạt, Hạ Long, [3], [4]. Ngày nay, công tác nghiên cứu và ứng dụng mô hình 3D trong quy hoạch ngày càng được nhiều người làm quy hoạch quan tâm nghiên cứu. Cùng với sự phát triển của công nghệ tin học, công nghệ GIS đã tạo ra một công nghệ mới (công nghệ 3D GIS) hỗ trợ cho lĩnh vực quy hoạch không gian [7], [11]. Đối với các dạng 3D GIS hiện nay chủ yếu được xây dựng trên các phần mềm GIS như 3D Studio Max Design; ArcSence, City Engine của hãng ESRI (Mỹ), Skyline, Một số công trình nghiên cứu đã thực hiện như: Nghiên cứu ứng dụng dữ liệu LIDAR và ảnh viễn thám độ phân giải cao để xây dựng bản đồ 3D phục vụ quản lý đô thị (Trung tâm viễn thám quốc gia, 2011), đây là dạng đề tài thử nghiệm trong sản xuất, chưa quan tâm đến xây dựng cơ sở dữ liệu không gian; Nghiên cứu cơ sở sở khoa học, đề xuất nội dung quy trình kỹ thuật thành lập bản đồ địa hình 3D tỷ lệ 1:2000 và tỷ lệ 1:5000 (Cục Đo đạc và bản đồ Việt Nam, 2013), đề tài tập trung vào nghiên cứu phát triển, kế thừa CSDL nền địa lý 2D theo hướng hiển thị trực quan bản đồ 3D mà không theo hướng thành lập CSDL không gian địa lý; Nghiên cứu ứng dụng công nghệ LIDAR kết hợp chụp ảnh số thành lập bình đồ trực ảnh phục vụ xây dựng bản

37 26 đồ 3D khu vực thành phố Hà Nội (Cục Đo đạc và bản đồ Việt Nam, 2014), nội dung chủ yếu là thành lập bản đồ trực ảnh; (Anh, N.T.T, 2013, Bản đồ 3D từ dữ liệu lidar cho các ứng dụng đô thị, Đề tài nghiên cứu khoa học cấp bộ (Bộ Tài nguyên và Môi trường); [7], Nghiên cứu xây dựng cơ sở dữ liệu thông tin địa hình 3D phục vụ công tác quy hoạch đô thị-nông thôn, Đề tài nghiên cứu khoa học cấp cơ sở T11-23, Trường đại học Mỏ-Địa chất, 2011; Bùi Ngọc Quý, Nghiên cứu ứng dụng ArcScense trong xây dựng cơ sở dữ liệu 3D GIS Thành phố Lạng Sơn, Tạp chí Tài nguyên và Môi trường, số 9 năm 2008 [9], Bùi Ngọc Quý, Nghiên cứu xây dựng mô hình Cyber City phục vụ cho việc mô hình hóa bề mặt và định hướng quy hoạch không gian, đề tài nghiên cứu khoa học cấp bộ (2015)[10] với kết quả thực nghiệm là xây dựng mô hình Cyber City thực nghiệm cho hai khu vực là Trường đại học Mỏ - Địa chất và Khu chung cư cao cấp The Major, Mễ Trì, Nam Từ Liêm, Hà Nội. NCS cũng là thành viên của cơ quan phối hợp thực hiện đề tài nghiên cứu này. Năm 2014, nghiên cứu sinh đã nghiên cứu và bảo vệ thành công luận văn thạc sỹ tại Trường Đại học Mỏ-Địa chất với đề tài Xây dựng cơ sở dữ liệu địa hình theo công nghệ 3D phục vụ công tác quản lý và quy hoạch đô thị khu vực thành phố Hải Phòng. Đây cũng là một trong những cơ sở khoa học giúp nghiên cứu sinh hình thành và phát triển đề tài nghiên cứu trong luận án tiến sỹ 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 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

38 27 tử. Còn ở trong nước, mặc dù đã được một số cơ quan, đơn vị quan tâm nghiên cứu, tuy nhiên các công trình nghiên cứu về bản đồ 3D cho công tác mô hình hóa bề mặt và định hướng quy hoạch không gian ở nước ta vẫn còn mang tính nhỏ lẻ chưa được thực hiện nhiều, dữ liệu còn thô sơ, chưa đi sâu vào mô hình hóa chi tiết các đối tượng trên bề mặt,. 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. 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

39 28 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, Luận án 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.

40 29 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 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. Theo khái niệm này, các mô hình thành phố ảo 3D được hình thành như là biểu diễn số của môi trường đô thị thực dựa trên ba thành phần hệ thống cơ bản như nêu ở trên. Hơn nữa, điều rất quan trọng là phải chú ý và hiểu sự khác biệt giữa mô hình hóa tương tác và dễ thấy là thành phố ảo và biểu diễn dữ liệu mô hình thành phố 3D có liên quan với nhau thông qua trực quan hóa hệ thống. Trong thực tế, sự khác biệt này dẫn đến kết luận rằng ba khung nhìn trên các mô hình thành phố ảo 3D tồn tại phải được kiểm tra riêng biệt: khung nhìn dữ liệu, khung nhìn hệ thống và phương tiện hoặc người dùng được mô tả trong Hình 2.1.

41 30 Hình 2.1: Ba thành phần cơ bản khung nhìn mô hình thành phố ảo 3D Khái niệm được đề xuất không thể hiện bất cứ điều gì về chất lượng hoặc sự phức tạp của các mô hình thành phố ảo 3D. Không liên quan đến cách thức thực tế của các đối tượng thành phố được mô hình hóa, cũng như các đối tượng thế giới thực được thể hiện trong mô hình hoặc nếu các đối tác kỹ thuật số của chúng hiển thị thế giới thực như tác động. Với mô hình thành phố ảo 3D, chúng ta có thể thực hiện được các chức năng trình diễn và đo đạc, phân tích và mô phỏng, trao đổi thông tin theo mô hình chính phủ điện tử, quản lý cơ sở hạ tầng và cơ sở vật chất, hỗ trợ quy trình lập kế hoạch, quy hoạch và ra quyết định Nội dung dữ liệu không gian của mô hình thành phố 3D Mô hình thành phố ảo 3D thể hiện không gian đô thị tham chiếu trên nền dữ liệu địa lý. Thành phần cơ bản của mô hình bao gồm bề mặt số địa hình (DTM), mô hình các công trình kiến trúc, công trình xây dựng, đường phố, thủy hệ, cây xanh, hạ tầng đô thị... Bản đồ không gian ba chiều có rất nhiều ưu điểm so với bản đồ hai chiều (2D), các đối tượng địa lý dạng vector được gắn kết với các thuộc tính và được hiển thị trong không gian ba chiều. Bản đồ 3D có thể được thành lập từ nhiều nguồn dữ liệu khác nhau có khả năng mô phỏng cấu trúc cảnh quan đô thị phục vụ quy hoạch, xây dựng phát triển đô thị, phục vụ

42 31 giáo dục, quốc phòng, du lịch và đặc biệt trong tiến trình phát triển các đô thị thông minh SmartCity ở Việt Nam thì mô hình thành phố ảo 3D vừa là phương pháp, vừa là công cụ để tổ chức triển khai trong thực tế. Để có được độ chính xác cao cho các vị trí điểm trên bản đồ thì hiện nay nguồn dữ liệu thu nhận từ công tác bay quét Lidar đang thể hiện là tối ưu nhất. Trước đây, người ta sử dụng mô hình dữ liệu dạng mô phỏng khối không gian hay ký hiêu hình tượng không gian mà chưa có các thuộc tính như vị trí, cấu trúc, đặc điểm nhận dạng hay các thông số kỹ thuật của đối tượng 3D. Việc xây dựng được mô mô hình dữ liệu không gian 3D có thuộc tính và tổ chức quản lý theo cấu trúc là vấn đề khó khăn, trong thời gian gần đây ở một số quốc gia đã nghiên cứu ứng dụng dựa trên XML và phát triển hơn nữa là CityGML, đã nâng tầm mô hình không gian thành phố lên một tầm cao mới. Tuy nhiên vân đề này ở Việt Nam là hoàn toàn mới, chưa có nghiên cứu nào đề cập đến CSDL 3D hay CSDL thành phố ảo 3D và cũng chưa có tiêu chuẩn nào quy định chi tiết về khung dữ liệu hay chuẩn dữ liệu 3D đô thị, trong khi đó thực tiễn phát triển của đô thị và nhu cầu ứng dụng trong quản lý đô thị nói chung hay quy hoạch đô thị nói riêng đang thực sự cần thiết, đòi hỏi các nghiên cứu cũng như đề xuất được mô hình CSDL 3D là hết sức cần thiết trong xu thế xây dựng SmartCity hiện nay. Với các tiêu chuẩn cụ thể, mô hình thành phố 3D ảo có thể được khai thác dưới nhiều hình thức và phục vụ nhiều lĩnh vực chuyên ngành khác nhau. Ví dụ, một cổng thông tin bất động sản có thể hình dung được công việc của năm và tiền thuê hàng tháng trung bình của các tòa nhà Trong trường hợp này, mô hình thành phố 3D ảo phục vụ như là công cụ khai thác dữ liệu đô thị. Dữ liệu trong mô hình thành phố ảo 3D bao gồm 3 nhóm dữ liệu chính: Dữ liệu nền địa lý 3D; Dữ liệu địa vật trong không gian đô thị; Tích hợp từ các nguồn dữ liệu khác.

43 Nhóm dữ liệu nền địa lý 3D * Mô hình số độ cao (Digital Elevation Model - DEM) ngày càng được sử dụng nhiều cho các mục đích nghiên cứu khác nhau và được coi là một dữ liệu đầu vào quan trọng của Mô hình địa hình 3D. Theo các phương pháp truyền thống, DEM chủ yếu được xây dựng bằng phương pháp nội suy từ đường bình độ của bản đồ địa hình (dạng số) trong một số phần mềm chuyên dụng ArcGIS, Vertical Mapper, Ngoài ra, DEM còn được xây dựng bằng cách sử dụng các kỹ thuật quan sát lập thể từ cặp ảnh hàng không, cặp ảnh lập thể vệ tinh hay từ dữ liệu đo đạc trực tiếp địa hình ngoài thực địa. * Mô hình số địa hình (Digital Terrain Model DTM) là mô hình số miêu tả bề mặt mặt đất không bao gồm các đối tượng vật thể trên đó nhưng được xây dựng dựa trên các điểm độ cao, các đường bình độ và các đối tượng nằm trên bề mặt như sông suối, ao hồ * Mô hình số bề mặt (Digital Surrface Model - DSM) là một mô hình độ cao số miêu tả bề mặt mặt đất và bao gồm cả các đối tượng vật thể trên đó như nhà cửa, cây, đường giao thông... * Dữ liệu nền cơ sở địa lý từ bản đồ địa hình tỷ lệ lớn: dữ liệu này được thu thập từ CSDL nền địa lý 1:10.000, 1:5000 và 1;2000 đã được Cục Đo đạc bản đồ và hệ thông tin địa lý thành lập phủ trùm cả nước và đang được lưu trữ tại các Sở tài nguyên và Môi trường các tỉnh/thành phố * Tư liệu không ảnh: Bao gồm các loại ảnh máy bay hoặc ảnh vệ tinh có độ phân giải siêu cao. Các tư liệu này lien kết với mô hình 3D (bao gồm cả mô hình hình học của khối nhà, thực vật và DTMs). Ngoài ra người ta có thể sử dụng thêm các tư liệu ảnh chụp bề mặt đứng của các đối tượng trong mô hình 3D ảo như là hình ảnh mặt tiền, mặt bên của công trình kiến trúc để xây dựng mô hình 3D một cách rõ ràng, chi tiết và đảm bảo tính thực tế [5]. Đối với các khu đô thị diện tích không lớn, ảnh được chụp từ UAV thường được sử dụng bởi

44 33 tình phổ biến và kinh tế của loại tư liệu này. * Dữ liệu ảnh mặt đất: bao gồm các ảnh chụp các đối tượng nhà, công trình kiến trúc, các địa vật sẽ được gán cho nắn và ghép nắn vào bề mặt các đối tượng sau khi mô hình hóa. Tùy thuộc vào cấp độ LoD của mô hình mà chế độ hiển thị sẽ lựa chọn mức độ chi tiết của ảnh mặt đất đa xgans để hiển thị Nhóm dữ liệu địa vật trong không gian đô thị 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. Trường hợp nếu các đối tượng này chỉ có tọa độ X, Y chúng cũng có thể được bổ sung tọa độ Z từ mô hình số địa hình bằng một phép chiếu vuông góc đơn giản. Các đối tượng dạng vùng như các bãi cát, bãi cỏ, sân...thường chỉ có tọa độ X, Y. Để thể hiện trong không gian ba chiều chúng sẽ được đẩy lên bề mặt địa hình và được thể hiện bằng các ký hiệu tương ứng. Các đối tượng nằm nổi trên bề mặt địa hình có độ cao riêng gồm nhóm các đối tượng dạng vùng như nhà và các công trình xây dựng, các đối tượng dạng đường như hàng rào, tường vây, các loại đường dây truyền tải, các đối tượng dạng điểm như cột điện, cây cối. Các đối tượng này có cấu trúc phức tạp hơn. Để mô tả chúng ngoài tọa độ X, Y cần có các giá trị độ cao: giá trị Z là độ cao của mặt địa hình tại vị trí (X, Y) của đối tượng và giá trị h là độ cao riêng của đối tượng so với mặt địa hình hoặc độ cao thực H của đối tượng trong không gian ba chiều. 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

45 34 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. Một cách thể hiện đơn giản nhất là nhà được đẩy lên từ đường viền đáy nhà nằm trên mặt địa hình một khoảng bằng chiều cao riêng h của nhà thành một hình hộp. Đối với công nghệ Lidar thì chúng ta có tập hợp các điểm có giá trị mặt bằng và độ cao rất chi tiết, từ đó cũng có mô hình số địa hình và mô hình số bề mặt cũng rất chi tiết và chính xác, do đó việc thể hiện các công trình xây dựng trên bản đồ 3D là đảm bảo được mức độ chi tiết rất cao 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. Các polygon nhà trên nền DTM trong ArcSence. Sau đó, các khối nhà được dựng lên bằng công cụ Extrusion sử dụng độ cao nhà đã được xây dựng từ dữ liệu last-echo. Chọn smooth shading và hide backside cho việc chiếu sáng và tạo bóng của các khối nhà. Trong trường hợp này các chi tiết về hình dáng mái và các tầng trên đều được khái quát hóa. Tuy nhiên, có thể chọn lọc một số khối nhà quan trọng có tính định hướng cao để thể hiện chi tiết hơn giữa các nhà bình thường được hiển thị theo nguyên tắc đơn giản nói trên. Với công cụ 3D building có thể dựng khối nhà lên từ footprint và gán hình ảnh thật của các bề mặt nhà lên đó. Để thực hiện việc thể hiện chi tiết khối nhà, trước hết cần chuẩn bị ảnh *.BMP của các bề mặt nhà và mái nhà. Các dữ liệu ảnh trên được lấy từ ảnh hàng không trực giao và ảnh chụp tại thực địa. Có thể lặp lại việc gán ảnh bề mặt nhiều lần cho các nhóm nhà có hình ảnh bề mặt khác nhau. Kết quả có thể

46 35 cùng được lưu trữ dưới dạng *.LYR là dạng dữ liệu mặc định của ArcScene. Cách thể hiện này đặc biệt phù hợp với các nhà cao tầng của các khu đô thị Thể hiện các đối tượng khác trên bản đồ Thuỷ hệ và các đối tượng liên quan: Sông hai nét được thể hiện như một đối tượng vùng trên bản đồ 2D. Trong bản đồ địa hình 3D, đối tượng vùng này được phủ lên mặt DTM sử dụng công cụ Baseheight và tô màu xanh nước biển nhạt. Ngoài ra đường viền sông hai nét cũng được thể hiện trên mặt DEM bằng màu nước biển sẫm với mục đích làm nổi bật đường bờ nước. Sông một nét cũng được thể hiện nằm ngay trên mặt DEM bằng ký hiệu dạng đường liên tục màu nước biển sẫm. Sông suối chảy theo mùa thể hiện bằng hai ký hiệu. Một ký hiệu dạng đường chạy liên tục màu nước biển nhạt. Thuộc tính của đối tượng được gắn vào đường này. Ký hiệu thứ hai dùng cho mục đích hiển thị được drop từ dạng đường nét đứt của sông suối chảy theo mùa trên bản đồ 2D, thể hiện bằng màu nước biển đậm nằm trên đường chạy liên tục màu nước biển nhạt nói trên. Cả hai ký hiệu này đều nằm ngay trên mặt DTM. Đê cũng được thể hiện theo nguyên tắc tương tự. Các chi tiết về độ chênh cao của đê được bổ sung vào DTM dựa trên các số liệu có được về đê như vị trí mặt đê, vị trí chân đê, độ cao mặt đê, tỷ cao đê. Con trạch trên mặt đê nếu có được thể hiện bằng một đối tượng dạng đường, thuộc tính về tỷ cao con trạch được lưu trữ và được dùng cho công cụ Extrusion để dựng đường này lên vuông góc với mặt đê (lúc này đã được bổ sung vào mặt DTM) đúng như đặc điểm của con trạch trong thực tế. Cống được thể hiện bằng đoạn thẳng đặt vuông góc với kênh mương bằng màu đen. Các thông tin về tên kênh mương, tên cống, thiết bị điều tiết nước nếu có được gắn vào bảng thuộc tính của cống. Giao thông và các đối tượng liên quan: Các đối tượng dạng điểm liên quan như trạm ghi, cột đèn hiệu, cột tín hiệu, cột cây số, biển chỉ đường nếu có được dựng lên bằng công cụ Plan tree trên mặt DTM dùng một hình ảnh tự thiết

47 36 kế dạng *.BMP gần giống với hình ảnh thực. Độ cao của các đối tượng này tuân theo qui định chuẩn của ngành giao thông. Đường ô tô là một yếu tố được quan tâm rất nhiều đối với người dùng bản đồ. Chúng được thể hiện là các đối tượng dạng vùng nằm ngay trên mặt DTM. Phần trải mặt đường được thể hiện bằng ảnh thực của các loại chất liệu: bêtông - nhựa, đá, đất hoặc bằng nền màu đơn giản. Trục phân tuyến, vỉa hè nếu có và đủ rộng để thể hiện ở dạng vùng theo tỷ lệ bản đồ thì trải mặt bằng chất liệu thực tế như nền cỏ thấp hay nền gạch. Nếu các trục phân tuyến chỉ là dạng đường thì dùng Extrusion dựng chúng lên thành dải ngăn cách chạy liên tục. Đường đất nhỏ và đường mòn được thể hiện bằng các đường một nét chạy liên tục trên mặt DTM. Để phân biệt, hai loại đường này đường đất nhỏ thể hiện bằng nét đen đậm, còn đường mòn màu xám. Ký hiệu nét đứt của đường mòn được chuẩn bị trong môi trường đồ họa và hiển thị lên trên đường mòn màu xám nhạt, chay liên tục. Đường ô tô được gắn các thuộc tính: tên đường, chất liệu rải mặt, độ rộng đường, độ rộng phần trải mặt. Địa hình đắp cao xẻ sâu của đường được bổ sung và thể hiện bằng mặt DTM. Các đối tượng kinh tế, văn hoá xã hội: Trên bản đồ 3D, ở mức độ chi tiết rất cao có thể thể hiện các đối tượng kinh tế, văn hóa xã hội bằng mô hình 3D thực của đối tượng được chuẩn bị sẵn trong môi trường đồ họa. Ở mức độ chi tiết thấp hơn, các đối tượng văn hóa, kinh tế, xã hội có thể được thể hiện bằng công cụ Plant tree sử dụng ảnh lấy từ các ký hiệu mẫu của bản đồ địa hình 2D. Cách thể hiện này nghiêng về xu hướng ký hiệu hóa hơn. Các đối tượng văn hóa, kinh tế, xã hội sau khi dựng lên được lưu lại thành một file *.LYR dùng để hiển thị, các ký hiệu điểm gốc với các thuộc tính như tên riêng của đối tượng cũng vẫn được giữ lại nhằm cung cấp thông tin khi cần truy vấn Đường dây điện và đường dây thông tin: Đường dây điện và đường dây thông tin sẽ được thể hiện độc lập bằng hai loại đối tượng. Thứ nhất là các đối tượng dạng điểm thể hiện cột, chúng được gắn các thông tin thuộc tính về chiều

48 37 cao cột, cột cao thế hay hạ thế được điều tra từ thực địa. Có hai nguyên tắc thể hiện các đối tượng dạng điểm này. Ở các tỷ lệ nhỏ, cột được thể hiện với độ chi tiết LoD thấp bằng cách hiển thị điểm trên mặt DTM với công cụ Baseheight và sau đó extrude điểm lên từ mặt DTM sử dụng trường độ cao riêng của cột. Cách thứ hai phù hợp với các tỷ lệ lớn, cột được dựng lên trên mặt DTM sử dụng công cụ Plant Tree. Ảnh của cột được 70 chuẩn bị sẵn ở dạng *.BMP và dựng lên với độ cao được lưu trữ sẵn trong trường thuộc tính của điểm. Đường dây tải điện đối tượng dạng đường đơn giản được gắn thuộc tính về loại đường: cao thế, hạ thế; độ cao trung bình của đường dây; điện áp nếu có. Đường dây ở dạng 2D sẽ tính chuyển thành đường 3D dựa trên độ cao của DTM bằng công cụ Convert features to 3D của ArcGis 3D Analyst, kết quả là đường 3D sẽ được bổ sung thêm rất nhiều đỉnh trong khoảng giữa đỉnh gốc tức là các cột. Sau đó chuyển đường dây 3D này về môi trường đồ họa và bỏ tất cả các đỉnh mới phát sinh giữa các cột. Sau đó đưa đường dây vào thể hiện trong ArcScene bằng tọa độ X, Y, H thực không phụ thuộc vào DTM với khoảng offset lấy từ thuộc tính chiều cao dây. Một đối tượng có nhiều điểm tương tự với các loại dây dẫn là ống dẫn. Ống dẫn được thể hiện là dạng đường, màu xám sẫm, gắn các thuộc tính: tỷ cao, đường kính ống, vật liệu làm ống, chất dẫn trong ống. Nếu ống đặt trên trụ cao thì nguyên tắc thể hiện tương tự như các loại dây dẫn và thể hiện các trụ đỡ kèm theo. Trường hợp ống dẫn nằm nổi trên mặt đất hay ống dẫn ngầm thì chỉ cần thể hiện đường ống dẫn dạng 2D theo mặt DTM với giá trị offset âm dựa trên thuộc tính độ sâu của ống. Các giếng kiểm tra được thể hiện bằng điểm cũng được extrude một giá trị âm chìm dưới mặt DTM một khoảng bằng độ sâu của ống. Với độ trong - transparency của DTM là 50% - 70% sẽ cho phép quan sát được tương đối rõ các đối tượng chạy ngầm dưới đất này. Dáng đất, chất đất: Dáng đất đã được thể hiện bằng mô hình số độ cao DTM và đường bình độ. Nhưng ký hiệu nét đứt của bình độ phụ không thể hiện

49 38 được trong ArcScene nên bình độ phụ nếu có sẽ được thể hiện bằng đường nét liền màu nhạt hơn. Các yếu tố này chỉ là được đưa ra với mục đích bổ trợ cho DTM trong việc thể hiện địa hình nên chỉ được thể hiện với độ trong - transperancy là 50%. Thực vật: Cách nhìn vào các đối tượng thuộc nhóm thực vật và cách phân nhóm chúng cho bản đồ địa hình 3D sẽ phải có một số điểm khác biệt so với bản đồ địa hình 2D trong đó độ cao riêng h của đối tượng là một trong các yếu tố chính để phân loại và quyết định cách thể hiện. Các đối tượng thực vật có độ cao riêng thấp như cỏ, lúa, hoa màu... sẽ được thể hiện là đối tượng dạng vùng phủ lên mặt DTM bằng công cụ Baseheight và được tô màu bằng công cụ Picture fill symbol với các ảnh chụp bề mặt thực của đối tượng hoặc bằng các nền màu đơn giản. Ở tỷ lệ lớn, các đối tượng thực vật có độ cao riêng lớn như rừng, hàng cây, cây độc lập có thể được thể hiện bằng các đối tượng dạng điểm. Đối với rừng và hàng cây dựa vào các thông số về mật độ cây để xác định vị trí tương đối của các điểm. Các đối tượng này được gắn thuộc tính độ cao và loại cây. Thông tin này được lấy từ nội dung của bản đồ địa hình nếu có hoặc bằng điều vẽ thực địa. Sau đó dùng công cụ Plan Tree của ArcScene để dựng cây lên từ các đối tượng dạng điểm này trên nền DTM sử dụng các ảnh cây tương ứng và độ cao cây lấy từ trường thuộc tính điểm. Công cụ Plant Tree được áp dụng lần lượt với từng loại cây, kết quả được lưu thành các file *.LYR và dùng để hiện thị trong ArcScene. SHP file chứa các đối tượng dạng điểm sau khi đã được dựng lên thành cây sẽ không được hiển thị nhưng vẫn được lưu giữ trong Scene của bản đồ địa hình 3D để phục vụ cho mục đích truy cập thông tin. Ghi chú: Một số ghi chú dạng số được sử dụng để xác định kích thước hay vị trí hình học của đối tượng. Ngoài ra các thuộc tính này đều có thể được truy cập bằng các công cụ query hay info của ArcScene. Hơn nữa các đối tượng

50 39 địa hình khi được dựng lên trong môi trường lập thể khá dày đặc nên chỉ một số ghi chú quan trọng được chọn để thể hiện trong Scene của ArcScene. Do hạn chế của công cụ 3D label chưa hỗ trợ tiếng Việt nên các ghi chú tên riêng này chỉ được hiển thị ở dạng tiếng Việt không dấu Tích hợp từ các nguồn dữ liệu khác 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. Phương pháp đầu tiên là tích hợp trực tiếp dữ liệu vectơ địa lý vào mô hình thành phố 3D tương tác là cấu tạo bề mặt địa hình bằng cách chiếu các đặc điểm vectơ lên địa hình. Tương tác trong nội dung này có nghĩa là các truy vấn dựa trên quy tắc và tương tác có thể được sử dụng để truy cập thông tin thuộc tính và tạo các lựa chọn. Hình 2.2: Phương pháp tích hợp cho dữ liệu dạng vector Phương pháp thứ hai, tích hợp như bản đồ raster, sử dụng bản đồ mã hóa địa lý được xử lý từ dữ liệu vectơ gốc bằng cách sử dụng phương pháp từ bản đồ số (ví dụ: tô màu, sử dụng chữ ký và nhãn văn bản). Các bản đồ raster mã hóa

51 40 địa lý bắt nguồn từ điều này được tích hợp dưới dạng cấu tạo bề mặt địa hình. Phương pháp thứ ba, tích hợp dưới dạng các ký hiệu 3D, được sử dụng để tích hợp các ký hiệu 3D bằng cách chuyển đổi dữ liệu nguồn (các đối tượng vùng) thành các đối tượng điểm. Các biểu tượng cho thấy các dấu hiệu chính thức được sử dụng như các ký hiệu 3D đặt tại các vị trí điểm để truyền trực quan loại hình bảo vệ nào được mô tả. Ba phương pháp này có thể áp dụng cho các khu bảo tồn thiên nhiên, các khu bảo tồn sinh thái và vùng bảo vệ nước 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. Sự hỗ trợ của đặc tả CityGML cho phép hệ thống soạn thảo mô hình thành phố ảo 3D giải thích dữ liệu và sử dụng trình đổ bóng nước trên đó. Một bóng trong lĩnh vực đồ họa máy tính là một hướng dẫn phần mềm, được sử dụng bởi GPU để tạo hiệu ứng kết xuất đồ họa nâng cao, chẳng hạn như mô phỏng một bề mặt nước thực tế 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 thể, kế hoạch phát triển và kế hoạch xây dựng. Mặc dù các kế hoạch này có thể được phân biệt đối với nội dung và quy mô của chúng, chúng giống nhau ở chỗ chúng mô tả các thay đổi được đề xuất và có thể có trong cảnh quan thành phố. Do đó, việc tích hợp các biểu diễn trực quan vào các mô hình thành phố ảo 3D sẽ phải bao gồm các thay đổi trong không gian mô hình ba chiều. Do đó, miêu tả các phương pháp để tạo ra kế hoạch 3D được kiểm tra.

52 41 Ngược lại với geodata, hầu hết các kế hoạch được chọn để tích hợp không được tham chiếu địa lý và không thể tích hợp chúng trực tiếp vào mô hình thành phố ảo 3D. Hơn nữa, thông tin về các đối tượng quy hoạch, chẳng hạn như số tầng của một tòa nhà được đề xuất, không được mã hóa trong bảng thuộc tính nhưng trong đồ họa của đồ án. Vì lý do này, một số bước tiền xử lý là cần thiết để tạo ra các miêu tả kế hoạch 3D từ các kế hoạch được kiểm tra. Trong trường hợp xấu nhất, nơi chỉ có các tệp ảnh có sẵn dưới dạng dữ liệu nguồn, chúng phải được mã hóa địa lý trước tiên và các tính năng của quy hoạch phải được số hóa trước khi các mô hình tiếp theo có thể được thực hiện 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 2.3: Phương pháp Extrusion-based modeling được sử dụng để biểu diễn các sơ đồ tổng thể thông qua các mô hình khối và các cấu tạo bề mặt địa hình Mô hình extrusion-based ban đầu được sử dụng để tạo ra các mô hình khối tương tác từ việc xây dựng các khuôn tòa nhà và xây dựng thông tin chiều cao. Để đảm bảo độ cao chính xác, chiều cao xây dựng tuyệt đối trên mực nước

53 42 biển được mã hóa trong hình học của khuôn tòa nhà. Với các hàm nhập dữ liệu trong xây dựng của các mô hình khối hệ thống sẽ được xử lý từ dữ liệu này, có thể tương tác và dựa trên quy tắc được truy vấn, tô màu và cấu tạo bề mặt. Hơn nữa, chiều cao của các mô hình khối có thể được thao tác và các thuộc tính có thể được chỉnh sửa. Để bao gồm khái niệm sử dụng đất được đề xuất trong biểu diễn kế hoạch 3D, kế hoạch raster mã hóa địa lý được che khuất với khu vực quy hoạch và được tích hợp vào mô hình thành phố 3D làm cấu tạo bề mặt địa hình (Hình 2.3). Phương pháp thứ hai, mô hình hóa 3D, được sử dụng để tạo ra các biểu diễn quy hoạch 3D với nhiều chi tiết hình học và chi tiết hơn trong các ứng dụng bên ngoài. Mô hình 3D là một phương pháp được thiết lập để tạo mô hình kiến trúc và trực quan hóa và nó rất linh hoạt đối với mô hình hình học và bề ngoài. Vì lý do này, có thể tạo ra các biểu diễn quy hoạch 3D thực tế và toàn diện không chỉ bao gồm các tòa nhà mà còn bao quanh không gian xanh, cây cối, đường phố, không gian mở... Hình 2.4: Phương pháp tiếp cận mô hình 3D để tạo ra các biểu diễn quy hoạch như là mô hình 3D Để đơn giản hóa cho mô hình 3D, các tính năng của quy hoạch được phân loại thành các loại (tòa nhà, đối tượng vận chuyển và đối tượng thực vật) và chiều cao của tòa nhà trên mặt đất và chiều cao cơ sở được thêm vào khối tòa

54 43 nhà làm thuộc tính trong môi trường GIS. Sau công việc chuẩn bị này, các điểm đặc trưng đã được xuất từ GIS sang phần mềm mô hình 3D. Các điểm đặc trưng được đưa vào và được định cấu hình để xử lý các mô hình khối từ các điểm đặc trưng của tòa nhà và các cấp đặc trung dựa trên thông tin thuộc tính. Từ mô hình 3D cơ bản này, một mô hình chi tiết đã được tạo ra. Các mô hình 3D được nhập thông qua định dạng.3ds và định vị thích hợp được đảm bảo bằng cách sử dụng điểm trung tâm của hộp giới hạn làm vectơ định vị trí. Hình 2.4 minh họa phương pháp tiếp cận mô hình 3D. Phương pháp mô hình hóa thứ ba, mô hình dựa trên CityGML, được phát triển để tạo ra một biểu diễn quy hoach 3D dựa trên CityGML. Mục đích của phương pháp này là: a) phát triển một phương pháp cho việc chuyển đổi quy hoạch tự động (bán) thành các đại diện 3D dựa trên CityGML để b) lưu trữ các quy hoạch trong cơ sở dữ liệu địa lý 3D dựa trên CityGML. Dữ liệu xây dựng và dữ liệu sử dụng đất được chuẩn bị cho phương pháp lập mô hình 3D đã được sử dụng làm dữ liệu nguồn. Hình 2.5: Minh họa phương pháp mô hình hóa dựa trên CityGML Việc chuyển đổi dữ liệu sử dụng đất được thực hiện thông qua nội suy với một mô hình dữ liệu TIN, sau đó là chuyển biến đổi dữ liệu từ ESRI nhiều đối tượng thành các đối tượng CityGML, như minh họa trong Hình 2.5, một thư viện lớp Java được phát triển bởi Viện Geodesy và Khoa học địa lý tại Viện

55 44 Công nghệ Berlin, và GeoTools, một thư viện mã Java mã nguồn mở (geotools.codehaus.org), được sử dụng để thực hiện việc chuyển đổi dữ liệu. Kết hợp với các mô hình xây dựng theo định dạng CityGML, có nguồn gốc từ việc xuất các mô hình xây dựng được tạo ra trước đó bằng cách sử dụng các extrusion functions, một biểu diễn quy hoạch 3D dựa trên CityGML được tạo ra 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. Vì nội dung và đồ họa của các sơ đồ quy hoạch được quy định theo luật, việc tích hợp đồ họa quy hoạch làm cấu tạo cấu trúc bề mặt sẽ được chọn làm phương pháp chính. Để tiếp tục truyền đạt hiệu quả khả năng của các sơ đồ quy hoach trên cảnh quan thành phố, biên giới xác định các lô xây dựng sẽ được số hóa và quy định về diện tích mặt đất tối đa, tổng diện tích sàn, số tầng, chiều cao xây dựng tối đa và chức năng xây dựng được thêm làm thuộc tính cho các đối tượng địa lý. Dữ liệu này được sử dụng để tạo các mô hình khối thông qua các extrusion functions, đại diện cho các lô xây dựng 3D. Tính minh bạch được thêm vào các lô xây dựng 3D để chỉ ra rằng ảnh không hiển thị các tòa nhà thực tế hoặc được lên quy hoạch, nhưng không gian 3D trong đó các tòa nhà có thể được xây dựng Tích hợp đồ án xây dựng Đồ án xây dựng chứa tất cả các thông tin cần thiết để tạo ra kiến trúc hoặc các mô hình 3D chi tiết bên trong. Mặc dù thực tế này, nó đã được quyết định rằng các quy hoạch này nên được tích hợp như các mô hình LOD3 tương đối đơn giản để giao tiếp trực quan các đặc điểm quy hoạch và để giữ cho mô hình 3D hiệu quả thấp. Luồng công việc được sử dụng tương tự như cách tiếp cận mô hình 3D được sử dụng trước đó. Sự khác biệt duy nhất là trong trường hợp này

56 45 các bản vẽ địa hình được mã hóa địa lý trong Định dạng Trao đổi Bản vẽ (.dxf) có thể được sử dụng làm dữ liệu nguồn cho quy trình tạo mô hình. Tuy nhiên, bản vẽ mặt bằng chỉ chứa nhiều dòng và điểm. Do đó, 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. Các bản vẽ mặt chính được sử dụng thêm làm họa tiết mặt chính để tăng chi tiết hình ảnh mà không cần mô hình hóa cửa sổ, cửa ra vào và các chi tiết khác. Như đã mô tả ở trên, việc tích hợp các mô hình 3D vào mô hình thành phố 3D được thực hiện thông qua các định dạng.3ds và các vectơ định vị trí 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 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, ví dụ: tích hợp trực tiếp các vectơ đặc trưng làm cấu tạo cấu trúc bề mặt địa hình cho phép các tính năng được chọn và thông tin thuộc tính của chúng được truy vấn. Trong các trường hợp khác, thông tin được mã hóa trong biểu diễn trực quan, ví dụ: bản đồ raster được mã hóa địa lý làm cấu tạo cấu trúc bề mặt địa hình hoặc mô hình 3D. Do đó, cần phải quyết định xem một biểu diễn trực quan đã chọn có phù hợp để truyền đạt thông tin dự định hay không, và nếu không, cách biểu diễn có thể được tăng cường hoặc sử dụng các phương pháp khác để đạt được mục đích truyền đạt thông tin cụ thể Thông tin như các thuộc tính đối tượng Trong trường hợp của mô hình 3D, thông tin thuộc tính, được thêm vào dữ liệu trước đó, bị mất trong quá trình xuất và nhập dữ liệu. Có thể thêm thông

57 46 tin này theo cách thủ công trong hệ thống tác giả nhập thông tin sau. Tuy nhiên, phương pháp này tốn thời gian và dễ bị lỗi. Vì lý do này, các mô hình 3D của các tòa nhà bên ngoài đã được chuyển đổi thành CityGML sử dụng các hàm dựng sẵn của hệ thống tác giả và một hàm được phát triển để chuyển các thuộc tính từ khối tòa nhà nguồn sang dữ liệu CityGML dựa trên sự liên kết không gian (vị trí sáng suốt). Chức năng tương tự đã được sử dụng để chuyển thông tin địa chỉ và xây dựng dữ liệu từ bản đồ địa chính đến các tòa nhà Tích hợp thông tin thông qua các tác động Hầu hết các thông tin không gian được tích hợp trong quá trình phát triển hệ thống có liên quan đến các dữ liệu khác hoặc bao gồm một số tài liệu. Dữ liệu và thông tin bổ sung này được cung cấp bằng cách liên kết các phương tiện và ứng dụng kỹ thuật số với các nhãn 3D và các ký hiệu 3D. Phương pháp này được áp dụng, trong số những người khác, liên kết các biểu diễn quy hoạch 3D với hệ thống thông tin kế hoạch dựa trên web-based, để khởi động các dự án GIS nằm bên dưới Hệ thống thông tin đất 3D và liên kết các quy hoạch với các tập dữ liệu bổ sung (ví dụ: tệp văn bản, lập tài liệu quy hoạch ở định dạng PDF và ảnh) Tích hợp thông tin thông qua chú giải Nếu các tập dữ liệu raster chuyên đề được sử dụng làm cấu tạo cấu trúc bề mặt địa hình, cần phải cung cấp chú giải để giải thích các chữ ký, ký hiệu và màu sắc được mô tả thành thông tin. Điều này có thể được thực hiện bằng cách sử dụng một tác động liên quan đến một tệp tin chú giải, hoặc bằng cách tích hợp chú thích như một hình ảnh được phủ lên mô hình thành phố 3D. Do đó, chú giải đã được chuẩn bị và lưu trữ dưới dạng ảnh với cấu tạo cấu trúc bề mặt địa hình 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

58 47 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. Do vậy trong nghiên cứu của luận án sẽ tham khảo và kế thừa các quy định của các tổ chức quốc tế, bên cạnh đó tham khảo phát triển các tiêu chuẩn của dữ liệu địa lý 2D đã có ở Việt Nam, từ đó đề xuất khung CSDL cho thành phố ảo 3D phục vụ quy hoạch và quản lý đô thị. Mô hình CSDL thành phố ảo 3D bao gồm các thành phần được giới thiệu dưới đây 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 Việc lựa chọn cơ sở toán học cho mô hình thành phố 3D phải thống nhất với các quy định về cơ sở toán học đang sử dụng cho bản đồ 2D, để đảm bảo tính thống nhất của dữ liệu tương đồng, tăng hiệu quả khai thác ứng dụng. VN2000 là khung tham chiếu không gian cho dữ liệu không gian, để đảm bảo sự thống nhất về tọa độ, độ cao cho địa hình, địa vật. Quy định về khung tham chiếu VN2000 đã được ban hành tại Thông tư 973/2001/TT-TCĐC hướng dẫn áp dụng hệ quy chiếu và hệ toạ độ quốc gia VN-2000 do Tổng cục Địa chính ban hành. Độ chính xác của mô hình đô thị 3D bao gồm: độ chính xác về vị trí mặt phẳng của đối tượng, độ chính xác của bề mặt DEM và độ chính xác xác định độ cao riêng của các đối tượng nằm nổi trên mặt DEM. Về độ chính xác mặt phẳng quy định tương ứng với tỷ lệ bản đồ địa hình ở dạng 2D, đối với độ cao riêng của các đối tượng nhà, khối nhà, địa vật khác thường được quy định với độ chi tiết cao hơn đối với độ cao trên bản đồ địa hình 2D tỷ lệ tương ứng Cấu trúc đồ họa đối tượng 3D Một đối tượng bất kỳ được xây dựng dựa trên: điểm, đường thẳng, mặt

59 48 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). Hình 2.6: Đối tượng trên mô hình thành phố 3D Như vậy, một mô hình 3D được dựng lên một cách dễ dàng bằng các phép chiếu 3D. Do đó việc xây dựng các hình phẳng 2D chính là cơ sở để thực hiện các phép chiếu. Nói cách khác để xây dựng mô hình thành phố 3D chúng ta phải dựng bản đồ cơ sở nền địa lý 2D trước. Đường nét cơ bản trong vẽ 2D gồm các chức năng vẽ: điểm, đường thẳng, đường tròn, hình chữ nhật, đường cong (Spline), lục giác, Ngoài ra còn có các hình dạng đặc biệt khác thường dùng trong thiết kế: dạng then, chuỗi ký tự Một đối tương 3D bất kỳ là sự tổ hợp của các phép dựng hình được xây dựng sẵn trong các chương trình vẽ 3D. Mặc dù với tên gọi mỗi chức năng ở mỗi phần mềm có thể khác nhau nhưng đều có các chức năng cơ bản về dựng hình dựa trên hình phẳng cơ sở kết hợp với phép tịnh tiến theo đường thẳng (Extruded): với một hình phẳng 2D được vẽ bất kỳ sau khi tịnh tiến tạo một khối 3D.

60 49 Hình 2.7: Mô tả dựng hình 3D từ 5 loại đối tượng cơ sở Mô tả đối tượng địa lý bằng GML: GML được xây dựng dựa trên mô hình dữ liệu địa lý phát triển bởi tổ chức OGC. Các dữ liệu địa lý được mô tả ở đây bao gồm các thực thể đối tượng địa lý gọi là các địa vật. Ví dụ về các đối tượng địa lý bao gồm mọi đối tượng có trong thế giới thực như sông, nhà, đường, núi, v.v. Một địa vật sẽ bao gồm một loạt các thuộc tính (tính chất) và hình thể của đối tượng. Tính chất bao gồm tên, loại đối tượng địa lý, và giá trị mô tả. Ví dụ như Sông hồng, thuộc loại đối tượng là sông, nước có màu đỏ và nhiều phù sa. Hình thể được tạo thành từ các đối tượng hình học cơ bản như điểm, đường, đường cong, bề mặt và các đường đa giác. Để đơn giản, các đặc tính địa lý ban đầu được giới hạn trong thông tin 2 chiều (2D), tuy nhiên sau đó các phần mở rộng được xây dựng cho phép ngôn ngữ này có thể sử dụng được cho dữ liệu hình thể 2.5D hoặc 3D cũng như là mối quan hệ tương quan giữa các dữ đối tượng địa lý. GML cho phép mã hóa được khá nhiều đối tượng phức tạp. Mỗi đối tượng địa lý sẽ có thể cấu thành từ các đối tượng khác. Một đối tượng như bến xe khách có thể cấu thành từ các đối tượng như đường vào, đường ra, vị trí đỗ xe và điểm bán vé. Về mặt hình thể, một hình thể của một đối tượng địa lý có thể tạo thành từ nhiều đối tượng hình học cơ bản khác nhau. Một đối tượng địa lý có hình thể phức tạp sẽ có thể bao gồm nhiều loại đối tượng khác nhau như các điểm, các đường và các hình đa giác. Sau này, mô hình dữ liệu của GML mở rộng mô tả đối với các đối tượng phức tạp hơn thành các đối tượng đa điểm, đa đường và đa polygon. Tất cả các định nghĩa cho hình thể của các đối tượng địa lý này viết bằng ngôn ngữ XML có thể xác định tại địa chỉ URL

61 50 Mã hóa các đối tượng không gian bằng GML: Trong ngôn ngữ GML, các đối tượng dữ liệu không gian được định nghĩa bao gồm: điểm, chuỗi các đoạn thẳng, chuỗi các đoạn thẳng khép kín, các đường đa giác, đối tượng đa điểm, đối tượng gồm nhiều chuỗi các đoạn thẳng, đối tượng gồm nhiều đa giác và đối tượng gồm nhiều đối tượng hình thể không gian: Coordinates; Kiểu dữ liệu dạng Point; Kiểu dữ liệu dạng linestring; Kiểu dữ liệu dạng Polygon sẽ bao gồm một đường biên ngoài (outerboundary) và một hoặc nhiều đường biên trong (innerboundary). Cả đường biên ngoài và đường biên trong đều là các dữ liệu có dạng linestring; Từ các kiểu dữ liệu địa lý đơn giản như trên, các kiểu dữ liệu địa lý phức tạp có thể được địa nghĩa và mã hóa, từ đó sử dụng để lưu trữ và truyền đạt dữ liệu giữa các hệ thống với nhau 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. Cụ thể là: Bước 1: Xây dựng mô hình hình học (modeling) bao gồm xây dựng mô hình số địa hình và mô hình hoá các đối tượng địa hình 3D. Bước này sẽ quyết định độ chi tiết của các đối tượng như độ chính xác của mô hình số địa hình, những chi tiết nào của bề mặt đất có thể bỏ qua, những công trình kiến trúc nào phải được thể hiện và thể hiện đến mức nào, những tiểu tiết nào có thể được khái quát hoá; Bước 2: Hiển thị trực quan (visualisation) các đối tượng của mô hình. Khi thiết kế mô hình mô phỏng thế giới thực người thiết kế khó có thể xây có được một mô hình giống thế giới thực 100%. Mô hình càng giống với thực tế thì dung tích dữ liệu càng lớn và tốc độ hiển thị càng chậm và chi phí xây dựng mô hình càng cao. Khái niệm cấp độ chi tiết LoD được đưa ra để diễn tả mức độ chi tiết, sự giống nhau giữa mô hình bản đồ 3D và thế giới thực. Bước này sẽ quyết định về mặt hình

62 51 thức đối tượng sẽ được thể hiện giống với hình ảnh thực đến mức nào. Có hai xu hướng thể hiện trái ngược nhau. Một là ký hiệu hoá tối đa các đối tượng theo các nguyên tắc bản đồ: symbolised. Hai là cố gắng thể hiện các đối tượng càng giống với hình ảnh thực càng tốt: photorealistic. Thí dụ ở cách thứ nhất một ngôi nhà bê tông được qui định thể hiện đơn giản là một khối màu xám, ở cách thứ hai nó được chụp ảnh ở tất cả các bề mặt và các ảnh này được đính lên từng bề mặt của mô hình ngôi nhà. Người thiết kế phải chọn được một điểm dừng hợp lý giữa hai xu hướng này. LoD áp dụng ở bước xây dựng mô hình số địa hình, mô hình hình học các đối tượng 3D và ở bước hiển thị trực quan phải đồng đều. Nhiều ý kiến cho rằng trong một bản đồ địa hình 3D lý tưởng, mỗi đối tượng phải có nhiều cách thể hiện khác nhau (multi-presentation multi-lod) cho các mức độ chi tiết khác nhau. Một số đề xuất về LoD đã được đưa ra cho một mô hình như thế, trong đó dữ liệu được chia thành các tầng nhỏ (tile). Ba bộ dữ liệu ở ba cấp độ chi tiết (độ chi tiết cao, trung bình và thấp) được lưu trữ cho từng tầng nhỏ đó. Để tạo ra một hình ảnh phối cảnh của mô hình, mỗi tầng nhỏ sẽ được thể hiện ở một cấp độ chi tiết nhất định phụ thuộc vào khoảng cách từ vị trí theo dõi đến khu vực biểu thị đó. Cần phải có phương án xử lý thật tốt khi hiển thị ở khu vực ranh giới giữa hai tầng có cấp độ chi tiết khác nhau. Một khó khăn khác khi xây dựng một mô hình như thế là dung lượng dữ liệu sẽ tăng rất nhanh cùng với số cấp độ chi tiết được lưu trữ. Mối liên hệ giữa khái niệm tỷ lệ của bản đồ 2D và LoD của bản đồ 3D có nhiều điểm tương đương. Chúng đều liên quan đến độ chính xác và mức độ khái quát hoá của các đối tượng. Đối với bản đồ 3D, độ chi tiết, độ chính xác của mô hình số địa hình phải tương đồng với cách thể hiện của các đối tượng nằm trên bề mặt địa hình. Ở các tỷ lệ nhỏ, trên bản đồ 2D rất nhiều đối tượng được thể hiện nửa tỷ lệ hoặc phi tỷ lệ. Trên bản đồ 3D tỷ lệ nhỏ, độ cao riêng (h) hay độ rộng, độ dài trên mặt phẳng ngang của các đối tượng nằm trên bề mặt địa hình thường là không đáng kể so với độ chính

63 52 xác, hay chênh cao của mô hình số địa hình. Người xem không có ấn tượng nhiều khi xem chúng được dựng lên trong môi trường 3D cho một khu vực rộng đúng như kích thước thực của một tờ bản đồ tỷ lệ nhỏ. Các đối tượng nổi trên mặt đất dường như nằm ép sát xuống mặt địa hình. Ở các tỷ lệ lớn, chúng nổi lên và cho người khảo sát ấn tượng rõ ràng hơn. Khái niệm về cấp độ chi tiết LoD liên quan chặt chẽ đến khái niệm về tỉ lệ và nó được lần đầu tiên được đưa ra bởi Clark (1976). Ngày nay, đã có nhiều định nghĩa khác nhau tùy thuộc vào cách sử dụng, ví dụ: LoD được sử dụng để cải thiện hiệu suất và chất lượng hình ảnh ba chiều trong đồ họa máy tính. Nó tuân theo một nguyên lý cơ bản và đơn giản, đó là khi cảnh 3D được hiển thị, nó có đủ không gian quang học và hiệu quả tính toán để thể hiện ít chi tiết hơn cho các đối tượng nhỏ, xa hoặc không quan trọng của cảnh quan. Theo định nghĩa này, LoD là "kỹ thuật đồ họa máy tính 3D thời gian thực trong đó một đối tượng phức tạp được biểu diễn ở các độ phân giải khác nhau và biểu diễn thích hợp nhất được chọn trong thời gian thực để tạo ra sự cân bằng giữa độ trung thực của hình ảnh và tốc độ khung hình. Thuật ngữ này thường được sử dụng thay thế cho nhau để chỉ cả hai kỹ thuật đồ họa và biểu diễn của một đối tượng. Tiêu chuẩn CityGML, Hiệp hội không gian địa lý mở (2012) cho rằng các LoD được yêu cầu phản ánh các quy trình thu thập dữ liệu độc lập với các yêu cầu ứng dụng khác nhau. Hơn nữa, LoD tạo điều kiện cho việc trực quan hóa và phân tích dữ liệu hiệu quả. Trong khi đó, trên trang web hướng dẫn Ngôn ngữ mô hình hóa thực tế ảo [89], đã đưa ra một định nghĩa ngắn gọn là: LoD xác định tập hợp các đại diện thay thế của một đối tượng đồ họa. Trong Ngôn ngữ mô hình hóa thực tế ảo (VRML), việc biểu diễn các đối tượng được chọn tùy thuộc vào khoảng cách từ đối tượng đến người quan sát. Trên cho rằng: Trong đồ họa máy tính, tính toán mức độ chi tiết liên quan đến việc giảm độ phức tạp của việc thể hiện đối tượng 3D khi nó di

64 53 chuyển ra khỏi trình xem hoặc theo các chỉ số khác như tầm quan trọng đối tượng, tốc độ quan sát không gian hoặc vị trí. Cấp độ kỹ thuật chi tiết làm tăng hiệu quả của đồ họa bằng cách giảm khối lượng công việc trên các giai đoạn đồ họa. Chất lượng hình ảnh của mô hình giảm thường không được chú ý vì nó chỉ ảnh hưởng nhỏ đến sự xuất hiện của đối tượng khi ở xa hoặc di chuyển nhanh. Trên đây là một số các khái niệm, định nghĩa và các giải thích được đề cập trong các nghiên cứu. Các định nghĩa, khái niện này xuất phát từ các nguồn gốc và nền tảng khác nhau. Tuy vậy, chúng đều đề cập đến một ý tưởng chung, cơ bản đó là việc có các mức biểu diễn dữ liệu khác nhau cho các khía cạnh tính toán và người dùng. Tỉ lệ và LoD trong các nghiên cứu, nói một cách đơn giản, là LoD là một sản phẩm của một thuật toán tổng quát hóa thông qua các phương pháp tự động từ một LoD chi tiết hơn (hoặc tỉ lệ lớn hơn). Trong lĩnh vực bản đồ, mỗi tỉ lệ có thể được xem như là một mức độ chi tiết gần như tương đương như trong mô hình thành phố 3D. Tuy nhiên, thuật ngữ này hiếm khi được sử dụng. Trong bản đồ truyền thống, mỗi bản đồ là một LoD tương ứng với một tỉ lệ nhất định. Một bản đồ khác có tỉ lệ lớn hơn hoặc nhỏ hơn hàm ý là LoD của chính nó. Trong khi đối với bản đồ kỹ thuật số, với phạm vi cân đối tinh tế hơn, cùng một LoD có thể được chia sẻ bởi nhiều hơn một tỉ lệ. Về lý thuyết, có thể có sự kết hợp của việc sử dụng một LoD thấp để đại diện cho một tỉ lệ lớn. Mặt khác, thuật ngữ tỉ lệ hiếm khi được sử dụng trong mô hình thành phố ảo 3D. Các tài liệu trong mô hình thành phố ảo 3D hiếm khi cung cấp một định nghĩa tỉ lệ đối với các LoD là gì. Trong các mô hình thành phố ảo 3D, tỉ lệ sẽ được sử dụng tương tự như trong bản đồ, nhưng một cách thận trọng và áp dụng trong một số trường hợp nhất định. Thang đo hay thước tỷ lệ có thể áp dụng cho một số trường hợp bản đồ in và các mô hình vật lý 3D có kích thước đại diện để có thể dễ dàng liên tưởng đến thế giới thực. Để có được hình ảnh hiện thực nhất có thể, các nhà thiết kế và các nhà

65 54 nghiên cứu có thể sử dụng các thủ thuật hoặc kỹ thuật đa dạng [28]. Phân loại ở trên chỉ xử lý cấu trúc vectơ của các tòa nhà. Một thủ thuật thông thường là để có được những bức ảnh mặt đất của các mặt phẳng như mặt tiền của các tòa nhà. Khoảng cách từ tường đến kính cửa sổ là nhỏ so với kích thước toàn bộ mặt tiền. Ngay trước mặt tiền, kết cấu hình ảnh xuất hiện thực tế, nhưng rõ ràng có một vấn đề khi xem mặt tiền từ một góc nhọn hơn. Các vật lộ ra từ tòa nhà xuất hiện như những bức tranh trên tường. Mặc dù, ở một mức độ nhất định, phương pháp này được sử dụng thành công mà không làm giảm cảm giác của việc xem cảnh 3D. Đối với các mặt phẳng của vật thể, việc sử dụng các kết cấu làm tăng cường chi tiết cảm nhận ngay cả khi không có mô hình chi tiết [30]. Bằng cách này một số bức tường của một tòa nhà có thể được mô hình hóa ở cấp độ 2, trong khi các đối tượng đặc biệt như ở cấp 4 sẽ được mô hình hóa và kết cấu riêng biệt. Việc tạo kết cấu có lợi hơn cho các tòa nhà cao lặp đi lặp lại (như tòa nhà chọc trời) hơn ví dụ lâu đài vì một phần của kết cấu trên hình chữ nhật đứng có thể được lặp lại trên tường (ốp lát). Trong một môi trường đô thị lớn với các tòa nhà hình chữ nhật, có thể đính kèm ngẫu nhiên bản đồ kết cấu từ thư viện kết cấu. Các tòa nhà nổi tiếng, được gọi là các mốc, sau đó được tạo ra với hình học chi tiết hơn và bản đồ kết cấu chính xác [76]. Shiode phân loại các mô hình thành phố 3D thành sáu loại dựa trên mức độ chi tiết (Hình 2.8) như sau: bản đồ số 2D và ảnh chụp, Kết xuất hình ảnh, Khối xây dựng lăng trụ, Chặn các mô hình với kết cấu, Mô hình chi tiết kiến trúc và Mô hình CAD thể tích [71]. Shiode cũng phân loại các mô hình thành phố 3D theo 4 loại dựa trên khả năng phân tích của nó (Hình 2.9) là: (1). Các mô hình thẩm mỹ, nhằm mục đích minh họa và đánh giá thẩm mỹ các dự án phát triển cho chính quyền và công chúng. Mặc dù, các mô hình thẩm mỹ có mức độ thực tế cao nhất, nhưng chức năng phân tích của nó rất hạn chế; (2). Mô hình bất động sản là các mô hình

66 55 được trang bị một hoặc nhiều chức năng phân tích, ví dụ phân tích theo dõi, khối xây dựng động và một số hàm truy vấn cơ bản; (3). Các mô hình tính năng phân tích đầy đủ, là các mô hình được trang bị nhiều chức năng phân tích hơn, như phân tích xem, phân tích bóng, mô phỏng dựa trên kịch bản; (4). Mô hình Hybird, là sự kết hợp của mô hình vật lý và mô hình thực tế ảo được sử dụng để đánh giá dự án. Hình 2.8: Kiểu mô hình thành phố 3D của Shiode, dựa trên mức độ thực tế Mô hình tính năng phân tích đầy đủ Mô hình Hybird Hình 2.9: Kiểu mô hình thành phố 3D của Shiode, dựa trên các chức năng phân tích

67 56 Hình 2.10: Kiểu mô hình thành phố 3D của Batty Phân loại mô hình thành phố 3D mô phỏng thành ba loại, chẳng hạn như mô hình thể tích, hiển thị dựa trên hình ảnh và mô hình lai như trong Hình 2.10 [22]. Một mô hình thể tích là việc dựng hình trên nền 2D, chi tiết có thể thay đổi từ các mô hình khối hình học đơn giản đến chi tiết kiến trúc phức tạp. Dựng hình dựa trên hình ảnh là mô hình dựa trên hình ảnh toàn cảnh [71], ở đây một loạt các hình ảnh được bao bọc để tạo ra một điểm nhìn. Mặc dù, mô hình dựa trên hình ảnh ít tốn kém và tạo ra biểu diễn thực tế của thế giới, mô hình này không có hình học 3D. Các mô hình lai là sự kết hợp của kỹ thuật mô hình hóa dựa trên thể tích và hình ảnh, trong đó một mô hình thể tích được gán các LoD khác nhau để tạo ra các mô hình thành phố 3D sát thực tế. Một mô hình 3D thích hợp với mức chi tiết cần thiết là được lựa chọn dựa trên các yêu cầu của dự án 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 chi tiết của đối tượng 3D. Tuy nhiên,

68 57 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. Ví dụ, một mô hình khối LoD1 của một tòa nhà có thể được mô hình hoá trong vô số các khả năng (Hình 2.8). Trong số các tùy chọn khác, bề mặt trên có thể đại diện cho chiều cao ở mái hiên của tòa nhà hoặc chiều cao ở phía trên của công trình. Nếu chúng ta bỏ qua độ cao, hình ảnh móng nhà có thể được mô hình hóa ở vị trí của các bức tường, hoặc nó có thể đại diện cho một phép chiếu của đa giác cạnh mái nhà xuống đất. Ví dụ này đã dẫn đến một số biến thể của một mô hình LoD1 như trong hình Hình 2.11: Một số kiểu biến thể về mặt hình học của một mô hình 3D ở LoD1 Dựa trên 5 cấp độ LoD để phản ánh quy mô của khung nhìn 3D, vấn đề mô phỏng quy hoạch đô thị phải tuân theo các tiêu chuẩn của đồ án quy hoạch đô thị, do vậy cần phân tích 5 cấp độ LoD để đảm bảo các tiêu chí về quy mô của các tỷ lệ bản đồ 1:500, 1:2000, 1:5000: - LoD0 là cấp độ thô nhất. Về cơ bản nó là mô hình số địa hình 2.5D (DTM) mà trên đó ảnh viễn thám hoặc bản đồ có thể chỉ làm nền. Trong LoD0, các tòa nhà có thể được thể hiện bằng bằng hình nền móng/hoặc đa giác cạnh (hình 2D trong không gian 3D). Nếu một tòa nhà được đại diện bởi cả bằng hình nền móng và đa giác cạnh, các đa giác được lưu trữ riêng biệt, có nghĩa là các mô hình trong LoD0 không chứa khối lượng và không phải là đối tượng 3D.

69 58 LoD0 thường được sử dụng để xây dựng thành phố ảo 3D phục vụ công tác quy hoạch cảnh quan ở cấp độ khu vực. - LoD1 là mô hình khối, bao gồm các tòa nhà lăng trụ có cấu trúc mái phẳng. Mức này được sử dụng để xây dựng mô hình 3D phục vụ Quy hoạch cấp phân khu, tương ứng với tỷ lệ 1:5000 trên bản đồ 2D và đây là một mức độ cần thiết cho một đồ án quy hoạch. - LoD2 có cấu trúc mái khác biệt và các bề mặt ranh giới được phân biệt theo chủ đề. LoD2 phù hợp nhất cho xây dựng thành phố ảo 3D phục vụ công tác quy hoạch các quận và dự án của thành phố. Ở mức này ảnh viễn thám độ phân giải từ 0.7 đến 1m để sử dụng làm nền và dựng hình 3D, tương ứng với khung nhìn của tỷ lệ 1:2000 trên bản đồ 2D. Mức độ này đảm bảo cho nhận diện bao quát cả đô thị và đây là một mức độ cần thiết cho một đồ án quy hoạch. - LoD3 biểu thị các mô hình kiến trúc với các cấu trúc tường và mái chi tiết có khả năng nhìn thấy bao gồm cửa ra vào và cửa sổ. Nó chủ yếu được sử dụng cho các dự án quy hoạch chi tiết. Trong trường hợp này, ảnh viễn thám có độ phân giải siêu cao (0.2-1m) hoặc ảnh chụp từ UAV một mặt sẽ được sử dụng để làm nền phối cảnh cho thành phố ảo 3D, mặt khác nó có thể được ứng dụng xây dựng mô hình số địa hình độ chính xác cao phục vụ công tác xây dựng mô hình 3D. Ở mức LoD3 có thể được sử dụng Quy hoạch chi tiết và ở mức xin phê duyệt là cơ sở để cấp giấy phép xây dựng và lập dự án đầu tư xây dựng. Đây là mức độ chi tiết phù hợp nhất đối với các đồ án quy hoạch đô thị, đảm bảo các tiêu chuẩn về khung nhìn và đồ họa như: khung nhìn trên một của sổ hiện thị của máy tính với mức độ LoD3 có thể bao quát được từng phần khu vục thành phố, có thể tính toán, đo đếm và phân tích các ứng dụng không gian, tương ứng tỷ lệ 1:500 trên bản đồ 2D. Mức độ này đảm bảo cho nhận diện chi tiết đến từng đối tượng địa hình, địa vật trong đô thị và đây là một mức độ cần thiết cho một đồ án quy hoạch.

70 59 - LoD4 là mức hoàn thành mô hình ở LoD3 bằng cách thêm các cấu trúc bên trong cho các tòa nhà. Ví dụ, các tòa nhà trong LoD4 bao gồm các phòng, cửa nội thất, cầu thang và đồ nội thất. Cấp độ này thường phù hợp cho thiết kế nội thất, thiết kế đồ vật và trình diễn mô phỏng không gian hẹp. Trong quy hoạch không gian đô thị ít sử dụng, trong luận án không thử nghiệm cấp độ này. 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. Hình 2.12: Các cấp độ chi tiết (LoD) trong mô hình thành phố ảo 3D Đề xuất nội dung và cấu trúc dữ liệu 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. Khi phân tích về tính chất không gian có thể phân

71 60 thành [12]: - Điểm nằm ngay trên mặt DEM, ví dụ như điểm độ cao. - Điểm không nằm trên mặt DEM, ví dụ như điểm khống chế gắn trên vật kiến trúc - Đường nằm ngay trên mặt DEM, ví dụ đường giao thông, sông 1 nét - Đường nằm trên hoặc dưới mặt DEM, ví dụ như đường đây điện, đường ống ngầm - Đường nằm vuông góc với mặt DEM, ví dụ như cột điện, biển quảng cáo - Mặt nằm trùng với mặt DEM, ví dụ như sân bóng, công viên - Mặt nằm vuông góc với mặt DEM, ví dụ như bờ tường, thành lũy - Khối nằm nổi trên mặt DEM, ví dụ như khối nhà, công trình xây dựng - Khối không nằm trên mặt DEM, ví dụ như nhà có kiến trúc đặc biệt, giàn khoan Trong mô hình dữ liệu 3D, thông tin thuộc tính của các đối tượng đều phải được gắn với (FCode) theo quy định thống nhất về mã đối tượng địa hình, địa vật, mã này được ghi trong trường Fcode. Có rất nhiều dạng thuộc tính cần lưu trữ để phục vụ cho truy vấn không gian cũng như hiển thị, ví dụ: - Tên riêng của đối tượng: tên sông, tên đường, tên dân cư - Độ cao H thực của đối tượng: độ cao đường bình độ, điểm độ cao - Độ cao riêng của đối tượng: chiều cao tòa nhà, chiếu cao cây - Độ rộng của đối tượng: độ rộng đường, độ rộng cầu - Độ sâu của đối tượng: độ sâu của đường hầm, cống ngầm - Chiều dài của đối tượng: chiều dài nhà, chiều dài cầu - Trọng tài của đối tượng: trọng tải cầu, - Chất liệu của đối tượng: chất liệu đường, chất liệu nhà, cầu

72 61 - Số tầng của khối nhà, số căn hộ của một sàn, chiều cao tầng.. - Loại thực vật: rau, hoa, lúa - Loại cây trong đô thị. Mô hình 3D không gian sẽ được phân loại theo đặc trưng hạ tầng đô thị: - Mô hình số địa hình DTM (TIN/GRID). - Vị trí (của tòa nhà, cầu, đường hầm ), - Thảm thực vật (diện tích, khối, cây độc lập, thảm thực vật), - Mặt nước các loại (thể tích, bề mặt), - Giao thông (cả cấu trúc đồ thị và dữ liệu bề mặt 3D), - Sử dụng đất (thể hiện diện tích bề mặt trái đất dành riêng cho việc sử dụng đất cụ thể), - Đối tượng hạ tầng kỹ thuật (biển báo, hố ha, bốt điện ), - Các đối tượng và thuộc tính chung của thành phố, - Nhóm người dùng có thể xác định (đệ quy) - Cấu trúc bề mặt. Mô hình đa tỷ lệ với 5 cấp độ chi tiết liên tục được xác định rõ ràng (LoD): LoD0 cho vùng khu vực, mô tả cảnh quan. LoD1 cho toàn thành phố, vùng. LoD2 - các huyện, dự án trong thành phố. LoD3 - mô hình kiến trúc (mặt bên ngoài), đối tượng dễ nhận biết từ xa. LoD4 - mô hình kiến trúc (có nội thất).

73 62 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 phương, Toàn Thành phố, vùng Thành phố, quận, dự án Quận, mô hình kiến trúc (mặt ngoài), điểm mốc Mô hình kiến trúc (bên trong), điểm mốc cảnh Độ chính xác Thấp nhất Thấp Trung bình Cao Rất cao Độ chính xác điểm (vị trí/ độ cao) Mức độ Tổng quát hóa Thấp hơn LOD1 5/5m 2/2m 0.5/0.5m 0.2/0.2m Tổng quát Các đối tượng Các đối tượng Các đối tượng > Các đối tượng hóa tối đa > 6*6m/3m > 4*4m/2m 2*2m/1m giữ có kiến trúc và được tổng quát được tổng quát nguyên mở rộng được hóa thành các hóa thành các tái 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 nhà / Có Mặt phẳng Các kiểu cấu Đối tượng thực Đối tượng thực Biểu diễn trúc mái nhà Độ nhô cao của mái Có Không Có, nếu biết Có Có 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 <LOD2 <LOD Đề xuất danh mục nội dung và cấu trúc của dữ liệu Trên cơ sở tham khảo quy định về nội dung và cấu trúc của CSDL nền địa lý tỷ lệ lớn (1:2000, 1:5000) đã được Bộ Tài nguyên và Môi trường ban hành theo Thông tư 55/2014/TT - BTNMT về Quy định kỹ thuật về mô hình cấu trúc,

74 63 nội dung cơ sở dữ liệu nền địa lý tỷ lệ 1:2000 và 1:5000; và dựa trên yêu cầu thể hiện nội dung của đồ án quy hoạch đô thị đã được Bộ Xây dựng ban hành tại Thông tư 06/2013/TT-BXD ngày 13/05/2013 Hướng dẫn về nội dung thiết kế đô thị và Thông tư 12/2016/TT-BXD ngày 29/06/2016 quy đinh về hồ sơ của nhiệm vụ và đồ án quy hoạch xây dựng vùng, quy hoạch đô thị và quy hoạch xây dựng khu chức năng đặc thù, Luận án đề xuất nội dung và cấu trúc của CSDL thành phố ảo 3D như sau: Hình 2.13: Lược đồ cấu trúc của mô hình CSDL thành phố ảo 3D Khác với dữ liệu địa lý, hầu hết các 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 quy hoạch, chẳng hạn như số tầng của một tòa nhà không được mã hóa trong các bảng thuộc tính nhưng có trong đồ họa quy hoạch. Vì lý do này, một số bước tiền xử lý là cần thiết để tạo ra hình ảnh kế hoạch 3D từ các đồ án quy hoạch cần kiểm tra. Do đó, đầu tiên phải được mã hóa địa lý bản quy hoạch và các tính năng quy hoạch phải được số hóa trước khi mô hình tích hợp vào 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 3D thành phố. Khung CSDL gồm các

75 64 nhóm lớp: Sử dụng đất, Mô hình số địa hình, Mô hình cầu cống, Mô hình công trình ngầm, Mô hình nhà, Giao thông, Mặt nước, Thực vật, Hạ tầng đô thị. Nhóm lớp về Mô hình số địa hình Nhóm lớp về Sử dụng đất Nhóm lớp về Mặt nước cảnh quan Nhóm lớp về Mô hình cầu cống Nhóm lớp về Giao thông Nhóm lớp về Mô hình đường hầm CSDL 3D Thành phố ảo Nhóm lớp về Thực vật Nhóm lớp về Mô hình nhà Nhóm lớp về Hạ tầng đô thị Hình 2.14: Khung CSDL 3D thành phố ảo Trong mỗi nhóm lớp có nhiều lớp đối tượng: Nhóm lớp giao thông gồm đường đô thị, vỉa hè; Nhóm lớp về hạ tầng kỹ thuật gồm biển báo, bốt điện; Nhóm lớp Mô hình nhà gồm nhà cao tầng, nhà phố, nhà máy... Trong mô hình dữ liệu 3D, thông tin thuộc tính của đối tượng được gắn với mã của đối tượng theo quy định thống nhất. - CSDL thành phố 3D được cập nhật trên phần mềm ArcGIS. Sau khi nhập dữ liệu không gian, các đối tượng được cập nhật thông tin thuộc tính. VD: các toà nhà cao tầng có các thông tin như: Tên nhà, địa chỉ, chiều cao, số tầng, diện tích sàn, dân số,... Các thông tin này vừa để tự động sinh các mô hình đối tượng 3D trên phần mềm Skyline, đồng thời để quản lý, tra cứu đối tượng trên mô hình 3DCM. * Nhóm dữ liệu mô hình số địa hình (DTM) Một phần quan trọng của mô hình thành phố 3D là địa hình. Mô hình số

76 65 địa hình (DTM) được đại diện bởi lớp Địa hình và thường đi kèm với LoD1 đến LoD3. Nhóm địa hình bao gồm một hoặc nhiều thực thể của lớp địa hình thành phần. Giá trị của nó có thể bị giới hạn ở một khu vực nhất định được xác định bởi đa giác hợp lệ tùy chọn. Địa hình có thể ở dạng raster hoặc GRID/TIN, và các đường đặc trưng (Breakline), hoặc theo các điểm độ cao (Masspoint). Bốn loại được thực hiện bởi các lớp GML tương ứng. Trong một bộ dữ liệu GML, bốn loại địa hình có thể được kết hợp theo những cách khác nhau, tạo ra sự linh hoạt cao. Đầu tiên, mỗi loại có thể được thể hiện ở các mức chi tiết khác nhau, phản ánh các độ chính xác hoặc độ phân giải của địa hình bề mặt. Thứ hai, một phần của địa hình có thể được mô tả bằng cách kết hợp nhiều loại, ví dụ bằng raster và đường đặc trưng, hoặc bằng TIN. Thứ ba, các vùng lân cận có thể được đại diện bởi các loại mô hình địa hình khác nhau. Để tạo thuận lợi cho sự kết hợp này, mỗi đối tượng địa hình được cung cấp với một thuộc tính không gian biểu thị mức độ hợp lệ của nó. Lớp thành phần: - Đối tượng địa hình nổi và thành phần kèm theo địa hình nổi; - TIN địa hình. - Raster địa hình. - Điểm độ cao địa hình; - Đường Breakline địa hình; Hình 2.15: Lược đồ cấu trúc nhóm nội dung địa hình

77 66 * Nhóm mô hình tòa nhà, khối nhà Mô hình nhà và khối nhà là một trong những khái niệm chuyên đề chi tiết nhất về GML. Nó cho phép trình bày các khía cạnh chuyên đề và không gian của các tòa nhà và các công trình xây dựng theo thời gian cấp độ chi tiết, từ LoD1 đến LoD3. Các khu phức hợp xây dựng, bao gồm một số tòa nhà riêng biệt như khu vực nhà máy hoặc khu phức hợp bệnh viện, nên được tổng hợp bằng cách sử dụng khái niệm nhóm đối tượng. Tòa nhà chính của khu phức hợp có thể được biểu thị bằng cách tập hợp nhóm các nhà độc lập. Cả hai lớp nhà và khối nhà sẽ phải bao gồm các trường thông tin: địa chỉ, lớp của tòa nhà, chức năng (ví dụ như khu dân cư, công cộng hoặc công nghiệp), cách sử dụng, năm xây dựng, năm phá dỡ, loại mái nhà, chiều cao đo được, và số lượng và chiều cao của từng tầng trên và dưới mặt đất. Tập hợp các thông số này phù hợp để tái tạo lại hình dạng ba chiều của một tòa nhà khi có biến động, thông tin này sẽ được lấy từ bản thiết kế quy hoạch ban đầu. Mô hình được tinh chỉnh liên tục từ LoD1 đến LoD3. Do đó, không phải tất cả các thành phần của một mô hình tòa nhà phức hợp đều được thể hiện cấp độ LoD như nhau. Trong GML, tất cả các lớp đối tượng được liên kết với các LoD liên quan đến các tiêu chí thu nhận tối thiểu được đề xuất cho từng Bộ LoD. Một đối tượng có thể được biểu diễn đồng thời trong các LoD khác nhau bằng cách cung cấp các hình dạng riêng biệt cho các LoD tương ứng. Trong LoD1, tòa nhà có thể được thể hiện bằng các bề mặt ngang, 3 chiều. Đây có thể đại diện cho nhà riêng biệt, mép mái nhà, loại nhà. Lớp này được tích hợp dễ dàng dữ liệu 2D vào mô hình. Các thuộc tính mô tả: + Phân loại phần xây dựng hoặc tòa nhà (lớp), các mục đích sử dụng khác nhau (chức năng) và các cách sử dụng thực tế khác nhau (công năng). Các giá trị được phép cho các thuộc tính này có thể được chỉ định trong danh sách mã.

78 67 + Năm xây dựng và năm phá dỡ của tòa nhà hoặc tòa nhà. Các thuộc tính này có thể được sử dụng để mô tả niên đại của sự phát triển tòa nhà trong một mô hình thành phố. + Loại mái của tòa nhà hoặc phần xây dựng. Các giá trị được phép cho thuộc tính này có thể được chỉ định trong danh sách mã. + Chiều cao tương đối đo được (độ cao đo) của tòa nhà hoặc phần tòa nhà. + Số tầng trên (mặt đất) và dưới (mặt đất). + Danh sách các chiều cao tầng trên (mặt đất) và dưới (mặt đất) mặt đất. Giá trị đầu tiên trong một danh sách biểu thị chiều cao của tầng gần nhất. đến mặt đất và giá trị cuối cùng chiều cao của xa nhất. Mô hình tòa nhà Nhà dạng vùng Nhà dạng điểm Tên nhà Địa chỉ Phân loại Năm xây dựng Năm phá dỡ Loại mái Chiều cao Số tầng Dân số Ghi chú Hình 2.16: Lược đồ cấu trúc nhóm nội dung nhà và khối nhà * Nhóm mô hình đường hầm Mô hình đường hầm liên quan chặt chẽ đến mô hình xây dựng. Các bộ phận đường hầm cũng sử dụng 3 cấp độ chi tiết, LoD1 đến LoD3. Cả hai lớp Đường hầm và Phụ trợ đường hầm bao gồm các thuộc tính: chức năng, cách sử dụng, năm xây dựng và năm phá hủy. Các lớp và trường thuộc tính: - Đường hầm và các phần phụ thự đường hầm; - Gán bề mặt ngoài cho đường hầm; - Bề mặt biên; Tên nhà Địa chỉ Phân loại Năm xây dựng Năm phá dỡ Mô hình Dân số Ghi chú

79 68 - Cửa, cổng; Mô hình công trình ngầm Đường thoát nước Tên đường Khu vực Chiều dài Đường kính Độ sâu Kết cấu bề mặt Mục đích sử dụng Đơn vị xây dựng Đơn vị quản lý Ghi chú Cống thoát nước Tuyến cống Khu vực Chiều dài Đường kính Kết cấu cống Mục đích sử dụng Đơn vị xây dựng Đơn vị quản lý Ghi chú Đường cab Tuyến cáp Khu vực Chiều dài Đường kính Độ sâu Vật liệu Mục đích sử dụng Đơn vị xây dựng Đơn vị quản lý Ghi chú Hình 2.17: Khung CSDL nhóm nội mô hình ngầm * Nhóm mô hình cầu Nếu một cây cầu chỉ bao gồm một phần (đồng nhất), nó sẽ được biểu diễn bằng phần tử cầu độc lập. Tuy nhiên, nếu một cây cầu bao gồm các đoạn kết cấu riêng lẻ, nó sẽ được mô hình hóa bằng một phần tử cầu và các phần tử phụ trợ. Chỉ các đặc tính hình học và không gian chính của cầu và phụ trợ gồm: - Cầu và các phần phụ của cầu; - Các yếu tố xây dựng cầu và gán với cầu; - Bề mặt biên; Mô hình cầu Cầu dạng đường Tên cầu Khu vực Chiều dài Chiều rộng Chất liệu bề mặt Loại cầu Số nhịp Độ cao Mục đích sử dụng Đơn vị xây dựng Đơn vị quản lý Ghi chú Cầu dạng điểm Tên cầu Khu vực Chiều dài Chiều rộng Kết cấu bề mặt Mô hình Loại cầu Độ cao Mục đích sử dụng Đơn vị xây dựng Đơn vị quản lý Ghi chú Hình 2.18: Khung CSDL nhóm nội mô hình cầu

80 69 * Nhóm mặt nước Cảnh quan của nhiều thành phố bị chi phối bởi các mặt nước, liên quan trực tiếp đến mô hình 3D thành phố như các nguy cơ có thể xảy ra, ví dụ như lũ lụt. Vùng nước là bề mặt động. Mặt nước có thể nhìn thấy thay đổi về mực nước và khu vực có thể bị ngập nước dựa trên DTM. Mô hình mặt nước đại diện cho các khía cạnh chuyên đề và hình học ba chiều của các con sông, kênh rạch, hồ và lưu vực. Trong các vùng nước thường được gán LoD2-3. Bao gồm các thuộc tính: - Bề mặt nước; - Bề mặt biên; - Danh mục Code mở rộng; Mặt nước Đường bờ Khu vực Diện tích Độ cao Bờ kè Ghi chú Mặt nước tĩnh Khu vực Diện tích Độ sâu Thể tích Ghi chú Hình 2.19: Lược đồ cấu trúc nhóm nội dung mặt nước * Nhóm đối tượng giao thông Mô hình giao thông của GML là một mô hình đa chức năng, đa quy mô tập trung vào chuyên đề và chức năng hình học/topo. Các đối tượng giao thông được biểu diễn dưới dạng mạng tuyến tính trong LoD0. Bắt đầu từ LoD1, tất cả các tính năng vận chuyển được mô tả bằng hình học bằng các bề mặt 3D. Mô hình theo diện của các tính năng giao thông cho phép áp dụng các thuật toán lập quy hoạch tuyến đường hình học. Lớp chính là Giao thông: ví dụ như đường, đường ray, vỉa hè, làn đường, bãi đậu xe, quảng trường và thiết bị giao thông

81 70 phụ trợ như biển báo. - Tổ hợp giao thông; - Các lớp thành phần của các tổ hợp giao thông; - Phân khu tổ hợp giao thông; Giao thông Đường giao thông Vỉa hè Dải phân cách Đường sắt Bãi đỗ xe Biển báo Tên đường Cấp đường Kết cấu Đèn Giao thông Khu vực Diện tích Kết cấu Cao độ Ghi chú Khu vực Diện tích Kết cấu Cao độ Ghi chú Tên đường Khu vực Chiều rộng Loại đường sắt Ghi chú Tên bãi Khu vực DIện tích Ghi chú Tên biển Khu vực Nội dung Ghi chú Hình 2.20: Lược đồ cấu trúc nhóm nội dung giao thông * Nhóm đối tượng thực vật Tính năng thực vật là những thành phần quan trọng của mô hình thành phố 3D, bất kỳ thành phố nào đều có quy định về diện tích cây xanh, diện tích vườn hoa công cộng. Bằng cách phân tích và trực quan hóa các đối tượng thực vật, các quy định về sự phân bố, cấu trúc và đa dạng hóa của chúng có thể được thực hiện. Thuộc tính của thực vật (độc lập hay thảm) được sử dụng trong phân tích sinh khối và các tiêu chí môi trường đô thị. Các thuộc tính kèm theo của các loại thực vật độc lập hay thảm đều bao gồm: loại thực vật, chiều cao, mật độ, đường kính thân cây, thời gian trồng, người quản lý. Nếu trong mô hình quy hoạch các thuộc tính trên có thể không đầy đủ thuộc tính, vì vậy trong quá trình quản lý đô thị cần phải cập nhật các thay đổi cho phù hợp. Sơ đồ UML của mô hình thực vật được mô tả trong hình 2.21, cho định nghĩa lược đồ XML xem bên dưới. - Đối tượng thực vật; - Đối tượng thực vật độc lập;

82 71 - Đối tượng che phủ thực vật; - Example CityGML dataset. Thực vật Cây dạng vùng Diện tích Loại cây Mặt độ tối đa Mật độ tối thiểu Chiều cao tối đa Chiều cao tối thiểu Ghi chú Công viên Tên công viên Địa chỉ Diện tích Loại cây Mật độ tối đa Mật độ tối thiểu Chiều cao tối đa Chiều cao tối thiểu Ghi chú Cây dạng điểm Loại cây Chiều cao Mô hình Ghi chú Hình 2.21: Lược đồ cấu trúc nhóm nội dung thực vật * Nhóm sử dụng đất đai Nhóm sử dụng đất mô tả các khu vực của bề mặt trái đất dành riêng mục đích sử dụng như đất ở, đất giao thông, đất công cộng, đất chùa, đất sản xuất kinh doanh. cụ thể. Thường được xây dựng từ LoD0. Chúng đại diện cho thửa đất trên bề mặt DTM trong không gian 3D. Hình 2.22 cho thấy sơ đồ UML của các đối tượng sử dụng đất. Sử dụng đất Đất Công nghiệp Cây xanh cảnh quan Hạ tầng Đất đô thị Đất công cộng Đất công nghiệp Đất có bãi Diện tích Tỷ lệ Ghi chú Mặt nước Công viên Tỷ lệ Ghi chú Giao thông Đầu mối kỹ thuật Bãi đỗ xe Đất chung cư Đất nhà ở Đất tái định cư Tỷ lệ Diện tích Đất dịch vụ thương mại Các công trình tiện ích Diện tích Ghi chú Hình 2.22: Lược đồ cấu trúc nhóm nội dung sử dụng đất

83 Đề xuất quy trình xây dựng thành phố ảo 3D phục vụ quy hoạch và quản lý đô thị Quy trình tổng quát Có ba yếu tố thiết kế và xây dựng chính trong quy trình xây dựng mô hình thành phố ảo 3D. Trước hết, cần phải thiết lập và xây dựng cơ sở dữ liệu địa lý với tính năng của bộ dữ liệu đã được thiết kế. Thứ hai, thiết lập mô hình hình học 3D dựa trên bộ dữ liệu đã được xây dựng trước đó. Cuối cùng, quá trình phân tích để hiển thị kết quả cuối cùng trong môi trường 3D. Hình 2.23 mô tả quy trình tổng quát của quá trình xây dựng thành phố ảo 3D. Tất cả các tính năng, thông tin của dữ liệu sử dụng trong xây dựng mô hình 3D được lưu trữ trong một cơ sở dữ liệu địa lý. Một cơ sở dữ liệu hữu ích có thể đóng góp tích cực rất lớn cho quá trình phân tích, xử lý mô hình 3D sau này. Cơ sở dữ liệu địa lý bao gồm ba bộ dữ liệu với các tính năng: tính năng tiên liên quan đến yếu tố giao thông như tuyến đường, nền đường, mặt đường (độ cao và mái dốc); bộ dữ liệu phân tích; và bộ dữ liệu bản đồ cơ sở như tòa nhà, các tầng của tòa nhà (tầng 1, tầng 2, ), bề mặt và đồ hình nền móng. Cơ sở dữ liệu 2D Cập nhật tọa độ địa lý Xây dựng cơ sở dữ liệu địa lý Thiết lập mô hình hình học 3D Hiển thị kêt quả mô hình 3D Phân tích, xử lý Thiết kế Mô hình thành phố ảo 3D Hình 2.23: Quy trình xử lý và thành lập mô hình 3D 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

84 73 phố 3D. Hình 2.24 mô tả quy trình xây dựng mô hình thành phố ảo 3D bằng ảnh viễn thám độ phân giải cao. Các kỹ thuật được sử dụng trong việc tạo ra một Mô hình thành phố 3D GIS được cung cấp bởi môi trường GIS và được hỗ trợ bởi dữ liệu ảnh viễn thám quang học có độ phân giải cao và siêu cao dựa trên việc sử dụng kỹ thuật ảnh số và phần mềm tạo mô hình 3D. Xử lý ảnh thô Tạo file điểm ảnh Số hóa đồ hình móng nhà, công trình Thể hiện thành phố ảo 3D Tạo khối ảnh lập thể Thành lập bình đồ ảnh Tạo file điểm đồ hình móng nhà, công trình Thành lập mô hình thành phố ảo 3D Chọn điểm khống chế ảnh Thành lập DEM Tích hợp ảnh độ phân giải cao, siêu cao Gán độ cao nền móng khối nhà, công trình Chọn điểm kiểm kiểm tra Chọn điểm khớp ảnh Tích hợp DEM, chiết xuất 3D khối nhà Tự động chiết xuất đồ hình nề móng nhà Hình 2.24: Quy trình xây dựng mô hình thành phố ảo 3D bằng ảnh viễn thám độ phân giải cao Cuối cùng, tiến hành thành lập mô hình thành phố ảo 3D (Hình 2.25) bằng cách sử dụng đồ hình nền móng nhà và chiều cao liên quan của các tòa nhà từ DEM. Hình 2.25: Mô hình thành phố ảo 3D được thành lập từ ảnh viễn thám độ phân giải cao

85 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. Trong trường hợp này, việc kết hợp mô hình 3D hiện trạng và mô hình 3D thiết kế quy hoạch sẽ thể hiện đầy đủ thành phố ảo 3D với nền phối cảnh giữa khu vực cũ (không được quy hoạch) và khu vực quy hoạch mới nhằm tăng tính trực quan về tính hài hòa của kiến trúc không gian quy hoạch. Đối với khu vực quy hoạch chi tiết, tỉ lệ lớn, có thể kết hợp ảnh viễn thám với ảnh UAV để tãng độ chính xác của mô hình 3D các tòa nhà, công trình kiến trúc. Trên cơ sở đó, tác giả đề xuất quy trình công nghệ xây dựng mô hình thành phố ảo 3D phục vụ công tác quy hoạch và quản lý đô thị (hình 2.26).

86 75 Chuẩn bị tư liệu địa hình Bay chụp và xử lý ảnh UAV Điều tra, thu thập dữ liệu Thiết kế tuyến bay Điều tra ngoại nghiệp Chụp ảnh địa vật Xây dựng phương án quy hoạch 2D Thành lập lưới KCA Bay chụp ảnh Nhiệm vụ quy hoạch Chỉ tiêu quy hoạch Tạo đám mây điểm Chuẩn hóa dữ liệu Bản vẽ phương án quy hoạch (.dxf) Bình đồ ảnh DSM Mô phỏng nền địa hình Tạo nền địa hình 3D Nền địa hình 3D *.mpt CSDL nền địa lý tỷ lệ 1/2000 Khung CSDL nền địa lý Xây dựng CSDL CSDL nền địa lý Mô hình hóa đối tượng 3D Mô hình địa vật 3D Xuất file.xpl Mô hình hóa đối tượng quy hoạch 3D Mô hình đối tượng quy hoạch 3D Xuất file.xpl CSDL thành phố ảo 3D Khung CSDL thành phố ảo Xây dựng CSDL thành phố ảo CSDL thành phố ảo 3D Địa hình 3D hiện trạng Tích hợp CSDL Mô hình thành phố ảo 3D Hình 2.26: Quy trình xây dựng Mô hình thành phố ảo 3D phục vụ quy hoạch và quản lý đô thị Ứng dụng mô hình thành phố ảo 3D Trình bày, khảo sát phương án quy hoạch Phân tích, mô phỏng Hỗ trợ ra quyết định lựa chọn phương án Quản lý cơ sở hạ tầng

87 76 Các bước chính trong quy trình xây dựng mô hình 3DCM, tích hợp phương án quy hoạch và phân tích phương án gồm: Bước 1: Công tác chuẩn bị; - Nghiên cứu đồ án quy hoạch. Thu thập các tài liệu số liệu, bản đồ sản phẩm của đồ án thiết kế quy hoạch. - Thu thập các tài liệu bản đồ, sơ đồ, số liệu về tình hình kinh ế xã hội của khu vực cần xây dựng mô hình thành phố ảo. - Phân tích, đánh giá các tài liệu. Bước 2: Xây dựng bình đồ ảnh số khu vực dự án, xây dựng DTM và lập bản đồ nền cơ sở địa lý ở các tỷ lệ 1:500, 1:2000, 1: Thiết kế bay chụp ảnh khu vực dự án bằng UAV: Thiết kê tuyến bay, thời điểm bay, ca bay, khống chế ảnh ngoại nghiệp...), - Đo khống chế ảnh ngoại nghiệp bằng GPS và tính toán bình sai. - Nắn ảnh, lập bình đồ ảnh. - Đo vẽ địa hình, địa vật khu vực dự án. - Lập DTM và biên tập bản đồ địa hình các tỷ lệ 1:500, 1:2000 và 1: Quản lý dữ liệu bằng Geodatabase. Bước 3: Chuẩn bị các mẫu thiết kế về kiểu dáng, minh họa và cấu trúc bề mặt các đối tượng công trình và phi công trình tại đô thị - Chuẩn bị các Maket về biểu thị không gian công trình quy hoạch. - Chụp ảnh hoặc quét bề mặt các đối tượng hiện trạng trong vùng dự án. - Thu thập thông tin thuộc tính các đối tượng trong đô thị. Bước 4: Chuẩn hóa dữ liệu nền cơ sở địa lý, DTM, ảnh, dữ liệu công trình quy hoạch, phương án thiết kế quy hoạch. - Chuẩn hóa dữ liệu nền cơ sở địa lý từ 2D thành 3D dựa theo DTM và kết quả đo vẽ lập thể trên ảnh UAV. - Chuẩn hóa dữ liệu quy hoạch từ 2D thành 3D theo đồ án quy hoạch.

88 77 Bước 5: Xây dựng mô hình 3DCM: - Sử dụng phần mềm 3D để xây dựng mô hình thành phố 3D bằng việc tích hợp các nguồn dữ liệu đã chuẩn hóa ở bước 4. - Gán các cấp độ LoD1 LoD2, LoD3 cho các bề mặt đối tượng - Kiểm tra thuộc tính của từng đối tượng theo tiêu chuẩn thiết kế. Bước 6: Khai thác các chức năng ứng dụng và phân tích không gian đô thị phục vụ kiểm tra đồ án quy hoạch và quản lý đô thị, lập báo cáo. - Trình bày, khỏ sát phương án quy hoạch. - Phân tích, mô phỏng, trình diễn. - Hỗ trợ ra quyết định, lựa chọn phương án. - Quản lý cơ sở hạ tầng theo quy hoạch. Trên đây là quy trình và các công đoạn xây dựng mô hình thành phố ảo 3D được đúc rút từ các nghiên cứu về cơ sở của bản đồ 3D, mô hình không gian 3D ứng dụng cho các thành phố, nguyên tắc tổ chức dữ liệu và yêu cầu của quy hoạch, trên cơ sở các công nghệ tiên tiến hiện nay. Quy trình này sẽ được thử nghiệm trong quá trình xây dựng mô hình thành phố ảo 3D khu công nghiệp đô thị Kiến Thụy trong Chương 3. 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 lý đô 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 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:

89 /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.

90 79 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 Khu vực nghiên cứu là Dự án khu công nghiệp đô thị Kiến Thụy nằm trong địa giới hành chính 3 xã: Ngũ Phúc, Kiến Quốc và Tân Trào thuộc huyện Kiến Thụy, thành phố Hải Phòng. + Phía Bắc: giáp xã An Thọ - huyện An Lão; phần còn lại của xã Ngũ Phúc, xã Kiến Quốc và xã Tân Trào huyện Kiến Thụy. + Phía Nam: giáp sông Văn Úc. + Phía Đông: giáp phần còn lại của xã Tân Trào. + Phía Tây: giáp sông Văn Úc. Sơ đồ vị trí mối liên hệ vùng như Hình 3.1 dưới đây. Hình 3.1: Sơ đồ vị trí mối liên hệ vùng Vị trí của dự án tiếp giáp với các tuyến đường giao thông đối ngoại: Đường cao tốc Hà Nội - Hải Phòng: khoảng 4,8 km; Đường vành đai 3: khoảng

91 80 6,0 km; Đường vành đai ven sông Văn Úc đi qua khu vực nghiên cứu; Đường tỉnh 354: khoảng 4,1 km; Đường tỉnh 362: khoảng 700m. Khu đất thực hiện Dự án chủ yếu là đất nông nghiệp trồng lúa và nuôi trồng thủy sản. Cote cao độ từ +0.70m đến +2.80m. Quy mô dự án: Xây dựng hạ tầng kỹ thuật Khu đô thị công nghiệp Kiến Thụy với diện tích khoảng 912,83ha; Mục tiêu dự án:phát triển khu đô thị và công nghiệp ven sông Văn Úc và từng bước hoàn thiện hệ thống khu công nghiệp theo định hướng phát triển không gian đô thị và theo điều chỉnh quy hoạch chung xây dựng thành phố đến năm 2025, tầm nhìn đến 2050 đã được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt tại Quyết định số 1448/QĐ-TTg ngày 16/9/2009. Nhiệm vụ của dự án:theo quyết định phê duyệt dự án có nhiệm vụ sau: - 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 quy hoạch phát triển thành phố Hải Phòng. - 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 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 công nhân kết hợp thương mại dịch vụ để phục vụ cho người lao động trong KCN. Sau khi xác định được phạm vi, quy mô của khu vực nghiên cứu, áp dụng các chỉ tiêu đối với Khu Công nghiệp và đối với đô thị loại I; xác định được cơ cấu quy hoạch sử dụng đất, cụ thể như sau:

92 81 TT Bảng 3.1: Cơ cấu sử dụng đất của đồ án thiết kế quy hoạch Loại đất Diện tích (ha) Tỷ lệ (%) A Khu Công nghiệp 776,64 100,00 1 Đất phục vụ công cộng 12,26 1,58 MĐXD ( % ) Hiều cao tầng Hiệu xuất sử dụng đất (Lần) 1.1 CC-1 5,87 40,00 5 2, CC-2 6,39 40,00 5 2,00 2 Đất công nghiệp, kho bãi 547,79 70,53 3 Đất cây xanh - mặt nước 132,21 17, Đất cây xanh công viên 31,81 4,10 5, Đất cây xanh cách ly 64,00 8, Đất mặt nước 36,40 4, Đất kỹ thuật đầu mối 8,01 1, KT-01 4,37 20,00 1 0, KT-02 2,65 20,00 1 0, KT-03 0,99 20,00 1 0,20 5 Đất cầu cảng 13,05 1,68. 6 Đất giao thông toàn khu vực 63,32 8, Đất bãi xe 2,36 0, P-1 1,44 20,00 1 0, P-2 0,92 20,00 1 0, Đất giao thông 60,96 7, B Khu Đô thị 136,19 100,00 1 Đất phục vụ công cộng 25,84 18, CCĐT-1 (Thương mại, dịch vụ) 1,65 40, , CCĐT-2 (Thương mại, dịch vụ) 1,69 40, , CCĐT-3 (Thương mại, dịch vụ) 8,13 40, , CCĐT-4 (Đất giáo dục) 3,22 40,00 5 2, Trường mẫu giáo 1, Trường tiểu học 1, Trường THCS 1, CCĐT-5 (Thương mại, dịch vụ) 3,22 40,00 5 2, CCĐT-6 (Đất hành chính, văn hóa, y tế) 3,52 40,00 5 2,00

93 UBND phường 1, Công an 0, Nhà văn hóa 0, Trạm y tế, phòng khám đa khoa 0, CCĐT-7 (Thương mại, dịch vụ) 3,52 40,00 5 2, CCĐT-8 (Thương mại, dịch vụ) 0,89 40,00 5 2,00 2 Đất ở 20,60 15, OCT-1 13,39 40,00 9 3, OTT-1 2,62 80,00 5 4, OTT-2 2,62 80,00 5 4, OTT-3 1,97 80,00 5 4,00 3 Đất cây xanh - mặt nước - TDTT 50,07 36,76 4 Đất giao thông toàn khu vực 39,68 29, Đất bãi xe 1,66 1, PĐT-1 0,83 20,00 1 0, PĐT-2 0,83 20,00 1 0, Đất giao thông 38,02 27, TỔNG DIỆN TÍCH 912, Xây dựng mô hình thành phố ảo 3D khu thử nghiệm 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. Skyline có các ưu điểm sau: - Triển khai nhanh chóng, tiết kiệm chi phí. - Phần mềm có thể nhập hầu như tất cả các định dạng chuẩn của dữ liệu hình ảnh, (.tiff,.ecw...), độ cao (.dem,.tiff...), mô hình đối tượng (.dae,.3ds...). - Khả năng sắp xếp hợp lý để quản lý kho lưu trữ không gian địa lý quy mô lớn, có khả năng lưu trữ dữ liệu lên đến hàng TB. - Hoạt động trong cả môi trường có kết nối mạng (Internet, WAN, LAN) và

94 83 máy tính cá nhân. - Công nghệ máy chủ Streaming hiệu quả cao để hỗ trợ triển khai quy mô lớn mà yêu cầu phần cứng không quá cao. - Có đầy đủ các công cụ để trình bày các nhóm lớp đối tượng của mô hình thành phố ảo: Đường giao thông, Mặt nước, Nhà cao tầng, Đường dây điện, Các công trình ngầm (Đường cấp nước, thoát nước...)... - Các công cụ phân tích không gian phong phú: Tính toán tầm nhìn, Tính toán ngập lụt, Mô phỏng ánh sáng mặt trời... Ngoài ra trên phần mềm có các công cụ để xây dựng kịch bản mô phỏng, báo cáo trực quan sinh động. - Bộ phần mềm có các hàm API có khả năng mở rộng cao cho phép bổ sung các công cụ để quản lý và trình bày mô hình thành phố ảo. 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 * Gói modul TerraBuilder có các chức năng chính sau: - Cho phép người dùng nhanh chóng tạo, chỉnh sửa và duy trì cơ sở dữ liệu nền địa hình 3D. - Hỗ trợ nhiều định dạng dữ liệu ảnh (ảnh hàng không, ảnh vệ tinh), thông

95 84 tin địa hình, địa lý và mô hình số độ cao. - Có thể thực hiện với khối dữ liệu lớn. - Tối ưu hóa quá trình hiển thị dữ liệu qua mạng Internet, qua mạng nội bộ hoặc các phương tiện truyền thông địa phương. - Các bộ xử lý nâng cao TerraBuilder cho phép nhiều người dùng tạo ra cơ sở dữ liệu nền bằng mạng. TerraBuilder rất hữu ích trong việc phục vụ tạo lập mô hình 3D từ ảnh vệ tinh, ảnh hàng không để hiển thị nhanh qua mạng Internet, mạng nội bộ hoặc trên các máy tính cá nhân. Bên cạnh đó, TerraBuilder còn có rất nhiều các chức năng như chỉnh sửa DEM, điều chỉnh độ xám của ảnh (Histogram adjustment) và nhiều công cụ khác. TerraBuilder cho phép người sử dụng tạo ra tập dữ liệu về độ cao và ảnh hàng không chính xác, TerraBuilder có thể phân chia qua hệ thống mạng cho nhiều bộ máy đồng thời xử lý để tạo ra một cơ sở dữ liệu 3D. Chúng ta có thể tiết kiệm thời gian và không gian lưu trữ với TerraBuilder DirectConnect, nó có thể tạo ra mô hình 3D mà không cần phải chuyển đổi dữ liệu về những định dạng chuẩn nào. * Gói TerraExplorer Pro có các chức năng chính: - TerraExplorer Pro là một phần mềm thuộc hệ thống phần mềm Skyline được sử dụng để thành lập và xuất bản mô hình bản đồ 3D. - Người sử dụng có thể tạo mới và chỉnh sửa các đối tượng, nhóm đối tượng bằng các công cụ trên giao diện của phần mềm. Phần mềm cũng cho phép chia sẻ dữ liệu hoặc tổ chức tác nghiệp trên cùng một cơ sở dữ liệu, tại cùng một thời điểm với nhiều máy PC khác nhau thông qua hệ thống mạng. - TerraExplorer Pro còn chứa một thư viện ký hiệu tương đối phong phú và cho phép người sử dụng khai thác trong quá trình biên tập mô hình bản đồ 3D. Bên cạnh đó, phần mềm cũng cho phép thiết kế một số ký hiệu đơn giản và cập nhật các ký hiệu 3D đã thiết kế từ một số phần mềm chuyên dụng khác. Trên mô

96 85 hình bản đồ 3D đã xây dựng, có thể thực hiện các phép phân tích địa lý và địa hình cơ bản. - Sản phẩm mô hình bản đồ 3D có thể được tổ chức và lưu trữ trên máy theo các Project riêng biệt, kết xuất dưới dạng phim (*.avi), các tập tin ghi lại hình ảnh theo một đường bay (*.fly) hoặc các gói dữ liệu cho các dự án khác nhau. * Gói TerraGate: - Modul TerraGate tạo ra cổng kết nối dữ liệu qua hệ thống mạng. Trường hợp sử dụng trên máy tính cá nhân thì không cần đến TerraGate. - TerraGate truyền tải dữ liệu địa hình, vecto, ảnh vệ tinh đến các máy sử dụng TerraExplorer (Client-Server) và qua dịch vụ WFS/WMS (Web-Base) Công tác chuẩn bị dữ liệu để xây dựng mô hình 3D Thiết kế và bay chụp ảnh bằng UAV, đo khống chế ảnh Sử dụng thiết bị bay không người lái (UAV) Phantom 3 kèm camera chụp ảnh FC300S và các thiết bị phụ trợ khác. Trong quá trình bay chụp ảnh theo tuyến, thiết bị UAV có thể tự động hiệu chỉnh vị trí cân bằng nhờ thiết bị con quay hồi chuyển IMU để thu nhận những tấm ảnh luôn ở vị trí nằm ngang (góc Hình 3.3: Sơ đồ thiết kế lưới khống chế ảnh

97 86 - Xác định phạm vi bay chụp ảnh: thiết kế trên bản đồ địa hình 1: Thiết kế tuyến bay chụp ảnh: Độ cao bay 150m, độ phân giải 10cm. - Lưới khống chế ảnh khu vực thực nghiệm được thiết kế gồm 35 điểm tiêu (từ 1-35) và 10 điểm mốc đường chuyền cấp 2 (DC1-DC10) phục vụ nắn ảnh UAV. - Chụp ảnh bằng công nghệ thiết bị bay không người lái (UAV); - Xử lý ảnh UAV: tiến hành xử lý ảnh UAV trên cả hai công nghệ phần mềm là phần mềm Pix4D mapper và phần mềm Agisoft Photoscan 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. Kết quả là bình đồ ảnh UAV với độ phân giải DSM 10 cm. Hình 3.4: Bình đồ ảnh khu vực nghiên cứu được thành lập từ ảnh UAV Hình 3.5: Mô hình số bề mặt (DSM)

98 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. Hình 3.6: Bản đồ địa hình tỷ lệ 1:2000 Các tiêu chuẩn kỹ thuật và quy trình công nghệ xây dựng CSDL nền địa lý 1:2000 tuân thủ đúng theo quy định của Bộ Tài nguyên và Môi trường (Thông tư 55/2014/TT-BTNMT ngày 12/9/2014 quy định kỹ thuật về mô hình cấu trúc, nội dung cơ sở dữ liệu nền địa lý và bản đồ địa hình tỷ lệ 1:2000 và 1:5000). Bảng 3.2: Các gói dữ liệu trong CSDL nền địa lý 1:2000 Chủ đề dữ liệu Cơ sở đo đạc Biên giới địa giới Địa hình Thủy hệ Giao thông Dân cư, cơ sở hạ tầng Phủ bề mặt Đối tượng ngầm Tên gói UML CoSoDoDac BienGioiDiaGioi DiaHinh ThuyHe GiaoThong DanCuCoSoHaTang PhuBeMat DoiTuongNgam

99 88 Hình 3.7: Cấu trúc cơ sở dữ liệu 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. Sau đó thực hiện các bước sau: - Tạo nền địa hình 3D: Sử dụng mô hình số độ cao DTM từ quá trình đo ảnh UAV, tạo chế độ phân giải ảnh Pyramid (hình tháp) theo độ phân giải của các mức nhìn khác nhau. Sau khi có dữ liệu mô hình số độ cao (*.DEM) và bản đồ raster (*.TIFF), sử dụng phần mềm TerraBuilder để xây dựng mô hình địa hình 3D. Tập tin *.mpt là kết quả mô phỏng địa hình 3D. Hình 3.8: Kết quả mô phỏng địa hình

100 89 - Trình bày nội dung bản đồ 3D thành phố: Khi biên tập trình bày trong phần mềm chuyên dụng phải thể hiện nổi bật các nhóm đối tượng: Cơ sở đo đạc; địa giới hành chính; địa hình; thủy hệ; giao thông; dân cư hạ tầng cơ sở; thực vật. Cơ sở đo đạc: gồm điểm mốc đo đạc trình bày số hiệu điểm, không biểu thị ký hiệu đối tượng. Địa giới hành chính: Địa phận hành chính hoặc địa bàn khu đô thị được phủ trên nền địa hình 3D, tô màu trắng kết hợp với việc thể hiện độ trong 1% để nhìn thấy rõ nền ảnh phía dưới, sử dụng trường thông tin DiaDanh để thể hiện tên phạm vi hành chính, ký hiệu đường địa giới không gán LoD. Địa hình: Điểm độ cao không gán LoD, chỉ gán giá trị độ cao; ghi chú địa danh cho địa hình. Thủy hệ: gồm các đối tượng như kênh, mương, mặt nước tĩnh, sông suối, đê, đập, cống thủy lợi, trạm bơm, công trình trên đê, ghi chú tên riêng. Các yếu tố nền thể hiện độ trong từ 10-30% để nhìn thấy lớp ảnh nền. Các đối tượng này nằm ngay trên bề mặt DEM. Giao thông: Các đối tượng gồm bến bãi, mặt đường bộ, hầm giao thông, đèo, cầu, cống giao thông, vỉa hè, đường sắt, ghi chú giao thông. Các yếu tố nền thể hiện độ trong từ 10-30% để nhìn thấy lớp ảnh nền. Dân cư hạ tầng cơ sở: các đối tượng chính gồm địa danh dân cư, nhà, khối nhà, khu chức năng, tháp nước, tượng đài, hàng rào, dây thông tin, hệ thống cột tượng đài, trạm phát sóng. Các đối tượng này được gán đủ thuộc tính, ghi chú, gán các mức LoD khác nhau cho mỗi loại, yếu tố nền được thể hiện độ trong 30% để có thể quan sát được nền ảnh phía dưới. Phủ bề mặt: phủ bề mặt được phủ trên bề mặt địa hình 3D, thể hiện độ trong 1% để nhìn ảnh phía dưới. Các đối tượng phủ bề mặt như: khu công trình, khu dân cư, khu đất trống, mặt nước Các đối tượng nổi lên trên DEM có kèm

101 90 theo độ cao riêng, đối tượng nằm ngay trên DEM không có độ cao riêng. Công trình ngầm: chỉ thể hiện một số đối tượng đường ống cấp nước, thoát nước, cống ngầm tại đô thị, có ghi chú tính chất cống kèm theo 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 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. 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 quy hoạch 3D từ bản đồ quy hoạch và dữ liệu BIM. 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. Hình 3.9: Phương án quy hoạch được số hóa trên phần mềm ArcGIS Trong một phương án quy hoạch gồm 5 nhóm lớp đối tượng như sau: BDSDDat: CayXanh; CongVien_SDD; Khu_ChungCu; Khu_CN; Khu_CN_2; Khu_HaTang.

102 91 DanCu: NhaCaoTang; NhaCaoTang_P; NhaThapTang; NhaXuong. GiaoThong: DuongDe; GiaoThong; ViaHe. ThucPhu: CongVien; VuonCay; ThuyHe: MatNuoc Việc xây dựng CSDL được thực hiện trên phần mềm ArcGIS.Dữ liệu 2D được số hóa bằng bộ ký hiệu quy hoạch và gán đầy đủ các thuộc tính trong hệ VN2000. Sau khi nhập các lớp đối tượng vào CSDL, 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 dựng hình các mô hình đối tượng 3D trên phần mềm Skyline. Hình 3.10: Thông tin lớp nhà cao tầng Chuẩn hóa dữ liệu không gian 3D phương án quy hoạch Mô hình 3D phương án quy hoạch được phân loại thành các nhóm (các tòa nhà, các đối tượng vận động, và các đối tượng thực vật), và chiều cao riêng của tòa nhà trên mặt đất và chiều cao cơ sở đã được gán vào độ cao của DEM tại vị trí đối tượng như là thuộc tính trong môi trường GIS. Sau khi công việc chuẩn bị này, các thông số của mô hình đã được chiết xuất từ GIS vào phần mềm để mô hình hóa mô hình 3D. Trong xây dựng chức năng chiết xuất đã được cấu

103 92 hình để xử lý mô hình khối từ các tính năng xây dựng và cấp các tính năng dựa trên các thông tin thuộc tính. Từ mô hình 3D cơ bản này, một mô hình cụ thể đã được tạo ra. 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. Hình 3.12 minh họa mô hình tiếp cận 3D định dạng *.dae Chuẩn bị phần mềm SketchUp là một phần mềm mô hình hóa 3D, dành cho các kiến trúc sư, các kỹ sư đồ họa, các nhà biên tập bản đồ, các đạo diễn điện ảnh và các ngành nghề có liên quan. Phần mềm này khởi đầu được phát triển bởi công Software, có trụ sở tại Boulder, Colorado, Mỹ. Phần mềm này nổi bật như một công cụ diễn tả ý tưởng đơn giản, nhanh gọn với giao diện đồ họa cho người sử dụng.một vài đặc điểm nổi bật:không cần phần cứng mạnh như các phần mềm mô hình hóa khác; Hệ thống giao diện với con trỏ đồ họa thông minh cho phép người sử dụng dựng hình vẽ ba chiều trong không gian hai chiều của màn hình; Các mặt, diện (face) được định nghĩa đơn giản dựa trên một miền khép kín; Tạo khối đơn giản nhanh gọn bằng công cụ push-pull tool; Công cụ chỉnh sửa khối và tạo khối theo đường sinh cho trước; Khả năng cho phép mô phỏng, hiệu chỉnh góc chiếu của mặt trời vào tất cả các thời điểm trong năm cũng như bao quát các góc nhìn cho hiệu quả gần như tức thời; Bản vẽ được kết xuất ở tốc độ cao dựa trên tốt giản hệ mô hình đa giác thấp, có phong cách trình bày độc đáo; Khả năng giao tiếp rộng rãi với các phần mềm mô hình khác; Có thể kết hợp với các trình kết xuất ngoài (Renderer) để cho ra những hình ảnh tốt hơn (etc. IRender, Podium, Indigo, Kerkythea...). Phiên bản đầu tiên của SketchUp được phát hành đầu năm 2001 với mục đích tạo các đối tượng ba chiều đơn giản, SketchUp đã có vị trí trong thị trường kiến trúc và thiết kế, sau khi có một vài sửa đổi nhỏ để phù hợp với đặc điểm của các ngành chuyên môn. Chìa khóa quyết định cho thành công của phần mềm nằm ở độ nhận biết các đường cong,

104 93 tuy không sâu như các phần mềm mô hình hóa 3D trên thị trường nhưng đã đem lại tốc độ xử lý nhanh. Tuy nhiên chính điều này cũng hạn chế khả năng mô phỏng thực tế của SketchUp.Một ứng dụng hữu hiệu của phần mềm này là thiết kế mẫu nhà (mức độ LoD3 hoặc LoD4). Sau khi thiết kế xong mô hình, người dùng có thể kết hợp sử dụng Google Earth để dán mẫu nhà vừa thiết kế lên hình ảnh khu vực có lô đất đó, để xem nó phù hợp với toàn cảnh ra sao. Ngoài ra, người sử dụng cũng có thể chia sẻ thiết kế của mình với những người dùng khác thông qua tính năng 3D warehouse các mô hình đã hoàn thành từ nhà cửa cho tới đồ đạc, vật dụng, xe cộ, tượng, cầu Chuẩn bị thư viện ký hiệu 3D Bộ ký hiệu 3D phải thể hiện được toàn bộ các đối tượng dạng điểm, đường, vùng, ghi chú. Các ký hiệu dạng điểm có thể sưu tầm, thiết kế mới bằng phần mềm SketchUp hoặc các phần mềm tương tự có hỗ trợ định dạng *.fly, *.xpc. Các ký hiệu dạng đường, vùng thiết kế trực tiếp trong chương trình Skyline. Bộ ký hiệu phải đảm bảo cho việc thể hiện nội dung của bản đồ 3D được trực quan nhất, ký hiệu phải dễ hiểu, càng giống với hình dạng thật của đối tượng càng tốt, tất nhiên là tuân thủ quy định về ký hiệu bản đồ tỷ lệ 1:2000 Bộ ký hiệu bản đồ 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) Mô hình địa vật Thông thường các đối tượng dân cư khi thể hiện trên bản đồ 3D sẽ tuân thủ theo đúng những thuộc tính của CSDL nền địa lý, chiều cao của các đối tượng khi trình bày sẽ được dâng lên đúng theo trường độ cao được lấy giá trị từ số liệu đo vẽ trên trạm đo vẽ ảnh số. Tuy nhiên, để nội dung bản đồ 3D được thể hiện trực quan, sinh động

105 94 hơn, ta sẽ thiết kế mô hình địa vật riêng cho những đối tượng địa vật được chọn theo các mục đích khác nhau, cụ thể trong đề tài luận văn sẽ thiết kế mô hình địa vật cho 8 nhóm đối tượng theo danh mục ở Chương 2. Các đối tượng có hình dạng, cấu trúc phổ biến như cột đèn, cột điện, sẽ sử dụng trong thư viện có sẵn của Skyline và khai thác thêm trên mạng Internet. Hình 3.11: Mô hình mẫu cột đèn và đèn báo hiệu giao thông Khu vực thử nghiệm bao gồm các công trình hạ tầng: nhà xưởng, nhà máy, chung cư, Vì vậy trong luận văn thiết kế mô hình cho tất cả các công trình hạ tầng này trên phần mềm Google SketchUp 8. Sau đó ta chuyển vào phần mềm Google SketchUp để thiết kế mô hình thông qua định dạng *.dxf hoặc *.dwg Nhà và khối nhà Hình 3.12: Thiết kế mô hình đối tượng trên phần mềm SketchUp

106 Các công trình hạ tầng kỹ thuật đô thị Biểu tượng được sử dụng nhằm hỗ trợ cho việc đọc bản đồ 3D, vì vậy các biểu tượng phải quen thuộc với người sử dụng bản đồ.các ký hiệu bản đồ địa hình tỷ lệ 1:2000 được chuyển thành các biểu tượng. Hình 3.13: Ký hiệu hạ tầng kỹ thuật Ký hiệu cây Các ký hiệu sử dụng chủ yếu cho lớp phủ bề mặt, trong đó chủ yếu là đối tượng thực vật. Chụp ảnh các loại cây đại hiện cho loại phủ bề mặt như cây ăn quả, cây bụi, cây công nghiệp ngắn ngày, cây dừa cọ, cây hoa, cây cảnh,... Hình 3.14:Thư viện ký hiệu cây độc lập/thảm thực vật Ảnh mô hình địa vật và cấp độ chi tiết LoD Trong quá trình mô hình hóa các đối tượng 3D, để mô hình trực quan thì mô hình cần được dán mặt cho các phần chi tiết. Ví dụ như cửa, nền nhà, màu tường,... Do đó cần xây dựng bộ ảnh mẫu cho các chi tiết này. Việc chụp ảnh phối cảnh các đối tượng địa vật cho các khu vực không thay đổi quy hoạch (giữ

107 96 nguyên hiện trạng), chụp vuoogn góc tất cả các bề mặt, chụp một ảnh theo hướng 45 0 so với đối tượng, đối tượng có bao nhiêu mặt sẽ chụp đủ bấy nhiêu, định dạng ảnh JPG, PNG, độ phân giải 1024x1024. Đối với khu vực quy hoạch theo thiết kế mới, các bề mặt được lấy theo dữ liệu của đồ án BIM. Hình 3.15: Ảnh cấu trúc sử dụng trong bản đồ 3D Hình 3.16: Gán các cấp độ LoD cho đối tượng khối nhà Tích hợp phương án quy hoạch lên mô hình thành phố ảo 3D 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, tạo các đối tượng từ chiều cao riêng của đối tượng (chiều cao thiết kế, số tầng thiết kế, kiểu dáng thiết kế, chất liệu thiết kế)

108 97 sau đó đưa lên độ cao mặt DEM. Phương pháp này được áp dụng hiệu quả cho các toàn 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. Với các chức năng nhập đối tượng công trình xây dựng. 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. Hình 3.17: Mô hình 3D được thành lập từ CSDL 2D. - 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. Mô hình 3D là một phương pháp thành lập để tạo mô hình kiến trúc và trực quan hóa và nó rất linh hoạt đối với các hình học và mô hình hóa bề ngoài. Vì lý do này, nó có thể tạo ra hình ảnh mô hình 3D thực tế và toàn diện không chỉ có các tòa nhà mà còn không gian xung quanh chúng bao gồm không gian xanh và cây cối, đường phố, không gian mở. Để tạo thuận tiện cho xây dưng mô hình 3D, 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 của DEM tại vị trí địa vật như là thuộc tính trong môi trường GIS. Sau khi công việc chuẩn bị này, các tính năng đã được chiết xuất từ GIS vào phần mềm mô hình 3D. Trong xây dựng chức năng của chiết xuất đã được cấu hình để xử lý mô hình khối từ các tính năng xây dựng và

109 98 cấp các tính năng dựa trên các thông tin thuộc tính. Từ mô hình 3D cơ bản này, một mô hình cụ thể đã được tạo ra. 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. Hình 3.18 minh họa mô hình tiếp cận 3D định dạng *.dae. Hình 3.18: Tích hợp mô hình nhà xưởng vào mô hình 3DCM 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. Hình 3.19:Tích hợp đường giao thông vào mô hình 3DCM

110 Thủy hệ Từ CSDL mặt nước được chuyển đổi vào Mô hình thành phố. Trên phần mềm cho phép chọn màu tô hoặc hiệu ứng nước. Hình 3.20: Mặt nước được tích hợp vào mô hình thành phố 3D Thực vật Từ dữ liệu công viên, cây xanh được nhập vào phần mềm 3D. Các đối tượng là ở dạng vùng. Trên phần mềm 3D có công cụ tự động trải cây 3D theo vùng đối tượng. Người dùng chỉ cần chọn mẫu cây, chiều cao cây, khoảng cách... và phần mềm sẽ trải đối tượng thực vật như hình Hình 3.21: Cây xanh, công viên được tích hợp vào mô hình thành phố 3D Các đối tượng động Để mô hình thành phố 3D thêm sinh động, sát thực thì cần thêm các mô

111 100 hình 3D động như: Ô tô, tàu điện,... Hình 3.22: Tàu điện được tích hợp vào mô hình thành phố 3D Đường điện Trên phần mềm cho phép mô phỏng các tuyến đường dây điện. Hình 3.23:Mô phỏng các tuyến đường dây điện Công trình cấp thoát nước Trên phần mềm cho phép mô phỏng các công trình cấp thoát nước. Các công trình cấp thoát nước thường đặt ngầm, dưới bề mặt DEM.

112 101 Hình 3.24: Mô phỏng các công trình cấp thoát nước Hình 3.25: Cơ sở dữ liệu mô hình 3DCM 3.4. Xây dựng một số công cụ phần mềm hỗ trợ Trên hệ thống phần mềm Skyline có một số công cụ phân tích không gian: Phân tích tầm nhìn, Phân tích bóng mặt trời..., nhưng để giải quyết các bài toán quy hoạch cần gắn các tiêu chí quy hoạch cụ thể thì trên bộ phần mềm này chưa có. Để giải quyết các bài toán đó cần phải xây dựng một số công cụ phần mềm hỗ trợ trên nền Skyline. Trong luận án này, NCS đã đi sâu nghiên cứu Bộ phần mềm Skyline và đã phát triển thêm các công cụ hỗ trợ quy hoạch đô thị. NCS đã xây dựng công cụ phần mềm hỗ trợ Mô hình thành phố ảo 3D trên nền Skyline bằng ngôn ngữ lập trình C#. Đầu tiên, toàn bộ các chức năng

113 102 của phần mềm Terra Explorer Pro đã được tác giả Việt hóa và đưa lên ứng dụng có giao diện bằng tiếng Việt, thân thiện với người dùng. Hình 3.26: Giao diện chính phần mềm Mô hình thành phố ảo 3D Hình 3.27: Giao diện tiếng Việt, thân thiện với người dùng Sau đó lập trình xây dựng một số công cụ phần mềm hỗ trợ Mô hình thành phố ảo 3D với 5 ứng dụng phục vụ đánh giá quy hoạch và quản lý đô thị. Một hệ thống hỗ trợ quyết định quá trình thiết kế rất phức tạp, và nó tham gia vào tất cả các khía cạnh nêu trên, chất lượng vật lý, chất lượng hình ảnh, và chất lượng chức năng của không gian. Nói chung, có cần một số chức năng phân tích để ra quyết định. Trong một hệ thống hỗ trợ ra quyết định không gian (SDSS), để thích ứng với quá trình thiết kế, tất cả các chức năng phân tích cần

114 103 thiết nên được tích hợp. Hình ảnh trực quan từ máy tính có thể thay đổi cách chúng ta suy nghĩ và cách chúng ta làm việc. Đối với các kiến trúc sư và các nhà quy hoạch, nó có thể thay đổi cách thiết kế. Khả năng hình dung thay đổi kết cấu đô thị và trải nghiệm những thay đổi trong bối cảnh thực tế của họ cho phép các nhà quy hoạch và thiết kế để đánh giá lựa chọn thay thế nhanh chóng, chi tiết hơn, và chi phí thấp hơn thông qua phân tích truyền thống hơn. Dựa trên đề xuất lượng hóa thông qua hàm mục tiêu của phương án min Trong đó: f là hàm mục tiêu n: là số tiêu chí đánh giá. f i là giá trị của tiêu chí i, W i là trọng số của tiêu chí i Mô hình khái quát của hệ thống: Các biến quyết định, trọng số đặc tính, điểm đặc tính, ràng buộc Phương án Các biến không kiểm soát được Hỏi đáp thu thập thông tin, tạo biến đầu vào. Biến quyết định Hình 3.38: Mô hình khái quát của hệ thống Kiểm tra tỷ lệ đất tối thiểu trồng cây xanh Việc kiểm tra bản đồ sử dụng đất có phù hợp với tiêu chuẩn chưa là rất quan trọng. Trước đây, việc kiểm tra này được làm thủ công và khi có sự thay đổi thì phải tính toán lại từ đầu. Trong 3DCM, chúng tôi đã xây dựng công cụ để kiểm tra bản đồ sử dụng đất nói chung và cụ thể là tỷ lệ đất trồng cây xanh. Tỷ lệ cây xanh được quy định chi tiết trong Bảng 3.3.

115 104 Bảng 3.3: Tỷ lệ đất tối thiểu trồng cây xanh trong các lô đất xây dựng công trình Trong lô đất xây dựng công trình 1- Nhà ở: Tỷ lệ đất tối thiểu trồng cây xanh (%) - Đơn lập (nhà vườn, biệt thự) 20 - Nhóm nhà chung cư Nhà công cộng: - Nhà trẻ, trường học 30 - Bệnh viện 30 - Nhà văn hóa Nhà máy: 20 - Xây dựng phân tán 20 - Trong khu, cụm công nghiệp tập trung 20 Cây xanh đô thị có 3 nhóm chính: (Nguồn: QCVN 04-1:2015/BXD) - Cây xanh sử dụng công cộng (quảng trường, công viên, vườn hoa, vườn dạo..., bao gồm cả diện tích mặt nước nằm trong các khuôn viên các công trình này và diện tích cây xanh cảnh quan ven sông được quy hoạch xây dựng thuận lợi cho người dân đô thị tiếp cận và sử dụng cho các mục đích luyện tập thể dục thể thao, nghỉ ngơi, giải trí, thư giãn...). Đối với các diện tích mặt nước không thường xuyên có nước, cần phải có các giải pháp quy họach đảm bảo cảnh quan môi trường khi không có nước. - Cây xanh đường phố (cây xanh, thảm cỏ trồng trong phạm vi chỉ giới đường đỏ). Tất cả các tuyến đường cấp phân khu vực trở lên đều phải trồng cây xanh đường phố. - Cây xanh chuyên dụng (cách ly, phòng hộ, vườn ươm, nghiên cứu thực vật học, vườn ươm...).

116 105 Bảng 3.4: Diện tích đất cây xanh sử dụng công cộng trong các đô thị Loại đô thị Đặc biệt I và II III và IV V Tiêu chuẩn (m 2 /người) (Nguồn: QCXDVN 01:2008/BXD Về quy hoạch xây dựng) Để thuận tiệnc cho việc kiểm tra, trong phần mềm Mô hình thành phố 3D đã xây dựng chức năng tính toán hệ số sử dụng đất. Căn cứ vào lớp sử dụng đất, phần mềm sẽ kiểm tra hệ số sử dụng đất có phù hợp với quy định hay không. Hình 3.28: Chức năng tính toán hệ số sử dụng đất Đoạn code sau để tính toán hệ số sử dụng đất: private double gettyle(string KhuTP,string SDD) { double tyle = 0; double _dtkhutp=0; double _dtsdd = 0; string idkhutp = sgworld.projecttree.finditem(khutp); string idsdd = sgworld.projecttree.finditem(sdd); if (sgworld.projecttree.islayer(idkhutp) && sgworld.projecttree.islayer(idsdd)) { var cfeaturelayer_khutp = sgworld.projecttree.getlayer(idkhutp); //cfeaturelayer_khutp.refresh();

117 106 var cfeaturelayer_sdd = sgworld.projecttree.getlayer(idsdd); //cfeaturelayer.featuregroups.point.gete IDataSourceInfo65 cfeaturelayerdatasource_khutp = cfeaturelayer_khutp.datasourceinfo; IDataSourceInfo65 cfeaturelayerdatasource_sdd = cfeaturelayer_sdd.datasourceinfo; int i = 0; IFeature65 fea=null; for (i = 0; i < cfeaturelayer_khutp.featuregroups.polygon.features.count; i++) { fea = (IFeature65)cFeatureLayer_KhuTP.FeatureGroups.Polygon.Features[i]; string a = fea.featureattributes.getfeatureattribute("shape_area").value.tostring(); _dtkhutp = double.parse(a); IFeatures65 csqresfeatures = null; csqresfeatures = cfeaturelayer_sdd.executespatialquery(fea.geometry, IntersectionType.IT_INTERSECT); for (i = 0; i < csqresfeatures.count; i++) { IFeature65 feasdd = (IFeature65)cSQResFeatures[i]; if ((feasdd.featureattributes.getfeatureattribute("loaivung").value.tostring() == "Cay") (feasdd.featureattributes.getfeatureattribute("loaivung").value.tostring() == "Công viên")) { _dtsdd = _dtsdd + double.parse(feasdd.featureattributes.getfeatureattribute("shape_area").value.tostring ()); }

118 107 } } } tyle = _dtsdd / _dtkhutp; string thongbao; thongbao ="Diện tích khu đô thị là:" +_dtkhutp +"m2 \n"; thongbao +="Diện tích cây xanh là:" +_dtsdd +"m2 \n"; thongbao +="Tỷ lệ đất cây xanh khu đô thị là:" + tyle ; MessageBox.Show (thongbao,"tỷ lệ sử dụng đất"); } return tyle; Kiểm tra thiết kế tòa nhà Đối tượng nhà và khối nhà được thiết kế với trường thông tin chi tiết gồm: Hình 3.29: Thuộc tính đối tượng nhà và khối nhà Trong quy hoạch đô thị cần phải tuân thủ nguyên tắc thiết kế đô thị. Thiết kế đô thị trong quy hoạch chung xây dựng độ thị cần phải đáp ứng các yêu cầu sau: - Xác định được các vùng kiến trúc, cảnh quan đặc trưng trong đô thị; xác định được các nguyên tắc tổ chức không gian cho các khu trung tâm, cửa ngõ đô thị, các tuyến phố chính... - Quy định được chiều cao tối đa, chiều cao tối thiểu, hoặc không khống

119 108 chế chiều cao của các công trình xây dụng thuộc các khu chức năng trong đô thị. - Xây dựng được các yêu cầu về quản lý kiến trúc đô thị theo nội dung của đồ án quy hoạch chung xây dựng để quản lý kiến trúc cảnh quan chung của toàn đô thị theo các nội dung trên. Yêu cầu về thiết kế đô thị trong quy hoạch chi tiết xây dựng đô thị: - Xác định được các công trình điểm nhấn trong không gian khu vực quy hoạch theo các hướng, tầm nhìn chính. - Quy định được các ngưỡng khống chế tối đa, tối thiểu và nguyên tắc về mối tương quan về chiều cao các công trình lân cận cho từng khu chức năng và cho toàn khu vực. - Xác định được quy định khoảng lùi của các công trình trên các đường phố chính và các ngã phố chính. Trong phần mềm Mô hình thành phố 3D đã xây dựng chức năng kiểm tra thiết kế tòa nhà có đúng theo quy định không. Nếu không đúng phần mềm sẽ đưa ra thông báo và đổi màu các tòa nhà vi phạm thiết kế. Hình 3.30: Kiểm tra thiết kế tòa nhà

120 109 Đoạn code sau kiểm tra thiết kế tòa nhà: private double getthietke(string KhuTP, string nha, string giaothong) { double tyle = 0; double _dtkhutp = 0; double _dtsdd = 0; string idkhutp = sgworld.projecttree.finditem(khutp); string idnha = sgworld.projecttree.finditem(nha); string idgiaothong = sgworld.projecttree.finditem(giaothong); if (sgworld.projecttree.islayer(idkhutp) && sgworld.projecttree.islayer(idnha)) { var cfeaturelayer_khutp = sgworld.projecttree.getlayer(idkhutp); //cfeaturelayer_khutp.refresh(); var cfeaturelayer_nha = sgworld.projecttree.getlayer(idnha); var cfeaturelayer_giaothong = sgworld.projecttree.getlayer(idgiaothong); //cfeaturelayer.featuregroups.point.gete IDataSourceInfo65 cfeaturelayerdatasource_khutp = cfeaturelayer_khutp.datasourceinfo; IDataSourceInfo65 cfeaturelayerdatasource_nha = cfeaturelayer_nha.datasourceinfo; int i = 0; IFeature65 fea = null; for (i = 0; i < cfeaturelayer_khutp.featuregroups.polygon.features.count; i++) { fea = (IFeature65)cFeatureLayer_KhuTP.FeatureGroups.Polygon.Features[i]; string a = fea.featureattributes.getfeatureattribute("shape_area").value.tostring();

121 110 _dtkhutp = double.parse(a); IFeatures65 csqresfeatures_nha = null; csqresfeatures_nha = cfeaturelayer_nha.executespatialquery(fea.geometry, IntersectionType.IT_INTERSECT); IFeatures65 csqresfeatures_giaothong = null; csqresfeatures_giaothong = cfeaturelayer_giaothong.executespatialquery(fea.geometry, IntersectionType.IT_INTERSECT); //m_feature = (IFeature65)cFeatureLayer.ExecuteSpatialQuery(geometry, IntersectionType.IT_INTERSECT); //kiem tra khoảng cách giữa các tòa nhà for (int j = 0; j < csqresfeatures_nha.count; j++) { IFeature65 fea_nha1 = (IFeature65)cSQResFeatures_Nha[j]; double _chieucao1 = double.parse(fea_nha1.featureattributes.getfeatureattribute("chiều_cao_nhà").value.tostr ing()); for (int k = 0; k < csqresfeatures_nha.count; k++) { IFeature65 fea_nha2 = (IFeature65)cSQResFeatures_Nha[k]; if (fea_nha2.id!= fea_nha1.id) { double kc = fea_nha1.geometry.spatialoperator.distance(fea_nha2.geometry); double _chieucao2 = double.parse(fea_nha2.featureattributes.getfeatureattribute("chiều_cao_nhà").value.tostr ing()); bool test=testchieucao (_chieucao1,_chieucao2,kc); } } }

122 111 //Kiểm tra khoảng cách với đường giao thông MessageBox.Show(_dtSDD.ToString()); } } tyle = _dtsdd / _dtkhutp; MessageBox.Show(tyle.ToString()); } return tyle; Quy định về khoảng lùi công trình Tương tự tiêu chuẩn của một đồ án quy hoạch đô thị cũng quy định khoảng lùi của công trình nằm tiếp giáp các trục giao thông đô thị: - Khoảng lùi công trình so với lộ giới đường quy hoạch được quy định tùy thuộc vào tổ chức quy hoạch không gian kiến trúc, chiều cao công trình và chiều rộng của lộ giới nhưng khoảng lùi tối thiểu phải thỏa mãn theo Bảng 3.5: Bảng 3.5: Tiêu chuẩn không gian trong thiết kế tương quan Chiều cao xây dựng công trình (m) Lộ giới đường tiếp giáp với lô đất xây dựng công trình (m) < < < (Nguồn: QCVN 04-1:2015/BXD) Trong phần mềm Mô hình thành phố 3D đã xây dựng chức năng kiểm tra khoảng lùi công trình có đúng theo quy định không. Nếu không đúng phần mềm sẽ đưa ra thông báo.

123 112 Hình 3.31: Kiểm tra khoảng lùi của công trình Đoạn code chức năng kiểm tra khoảng lùi công trình: private void testgiaothong(ifeature65 feanha, string KhuTP, string nha, string giaothong) { double tyle = 0; double _dtkhutp = 0; double _dtsdd = 0; IFeatures65[] m_feas; IFeatureLayer65 m_flay = null; string idkhutp = sgworld.projecttree.finditem(khutp); string idnha = sgworld.projecttree.finditem(nha); string idgiaothong = sgworld.projecttree.finditem(giaothong); if ( sgworld.projecttree.islayer(idgiaothong)) { var cfeaturelayer_khutp = sgworld.projecttree.getlayer(idkhutp);

124 113 //cfeaturelayer_khutp.refresh(); var cfeaturelayer_nha = sgworld.projecttree.getlayer(idnha); var cfeaturelayer_giaothong = sgworld.projecttree.getlayer(idgiaothong); int i = 0; IFeature65 fea = null; for (i = 0; i < cfeaturelayer_khutp.featuregroups.polygon.features.count; i++) { fea = (IFeature65)cFeatureLayer_KhuTP.FeatureGroups.Polygon.Features[i]; string a = fea.featureattributes.getfeatureattribute("shape_area").value.tostring(); _dtkhutp = double.parse(a); IFeatures65 csqresfeatures_giaothong = null; csqresfeatures_giaothong = cfeaturelayer_giaothong.executespatialquery(fea.geometry, IntersectionType.IT_INTERSECT); double _chieucao1 = double.parse(feanha.featureattributes.getfeatureattribute("chiều_cao_nhà").value.tostrin g()); int j = 0; string thongbao; bool test=true ; thongbao = "Chiều cao tòa nhà cần kiểm tra là " + _chieucao1 + "m\n"; for (int k = 0; k < csqresfeatures_giaothong.count; k++) { IFeature65 fea_giaothong = (IFeature65)cSQResFeatures_giaothong[k]; //if (fea_giaothong.id!= feanha.id) //{ double kc = feanha.geometry.spatialoperator.distance(fea_giaothong.geometry); double _chieurongduong =5;

125 114 string kcd = fea_giaothong.featureattributes.getfeatureattribute("chiều_rộng").value.tostring(); if (kcd!="") _chieurongduong = double.parse(fea_giaothong.featureattributes.getfeatureattribute("chiều_rộng").value.tost ring()); test = testkhoangcachduong(_chieucao1, _chieurongduong, kc); if (test == false) { fea_giaothong.tint.fromrgbcolor(0xff0ff00); thongbao += "Tòa nhà vi phạm về khoảng cách lộ giới \n"; } j++; } if (test == true) thongbao += "Tòa nhà đạt yêu cầu về khoảng cách lộ giới \n"; MessageBox.Show(thongbao, "Kiểm tra chiều cao tòa nhà"); } } } Quy định về khoảng cách tối thiểu giữa các dãy nhà Theo các tiêu chuẩn của một đồ án quy hoạch đô thị, việc quy định khoảng cách tối thiểu giữa các khối nhà là bắt buộc, việc thiết kế quy hoạch luôn phải đảm bảo chỉ tiêu này. Mô hình 3D cung cấp công cụ tiện tích để kiểm soát chỉ tiêu này. - Khoảng cách giữa các cạnh dài của hai dãy nhà có chiều cao <46m phải đảm bảo 1/2 chiều cao công trình ( 1/2h) và không <7m. Đối với công trình có chiều cao 46m, khoảng cách giữa các cạnh dài của hai dãy nhà phải đảm bảo 25m.

126 115 - Khoảng cách giữa hai đầu hồi của hai dãy nhà có chiều cao <46m phải đảm bảo 1/3 chiều cao công trình ( 1/3h) và không <7m. Đối với công trình có chiều cao 46m, khoảng cách giữa hai đầu hồi của hai dãy nhà phải đảm bảo 15m Hỗ trợ kiểm tra thiết kế đô thị Với các phương pháp truyền thống, GIS 2D việc kiểm tra thiết kế đô thị rất khó khăn. Việc kiểm tra chủ yếu dựa vào kinh nghiệm của nhà thiết kế, nhà quy hoạch mà chưa có công cụ, hệ thống nào hỗ trợ việc này. Với các phương pháp truyền thống: Vẽ trên giấy; Hoặc thiết kế trên các phần mềm CAD/CAM không tự tính toán khoảng cách giữa đối tượng, giữa các tòa nhà cũng như xác định được thông tin thuộc tính của đối tượng. Với GIS 2D thì chưa xác định được các thuộc tính về chiều cao của đối tượng. Với hệ thống 3D thành phố ảo sẽ hỗ trợ đắc lực cho việc kiểm tra thiết kế đô thị. Trên hệ thống có thể truy vấn đến từng đối tượng quy hoạch, xác định vị trí toạ độ, trả về thông tin đối tượng (bao gồm thông tin 2D và 3D), xác định khoảng cách đến các đối tượng khác (giao thông, tòa nhà...). Trong luận án, chúng tôi đã xây dựng công cụ cho phép kiểm tra thiết kế đô thị để kiểm tra các yêu cầu về khoảng cách giữa các dãy nhà, khoảng lùi công trình, mật độ xây dựng... Nếu đối tượng quy hoạch nào không đáp ứng các yêu cầu trên hệ thống sẽ liệt kê thành danh sách để nhà thiết kế đô thị kiểm tra lại phương án thiết kế đó Giới thiệu một số kết quả ứng dụng mô hình thành phố ảo 3D khu thực nghiệm Trình diễn các góc nhìn mô hình Việc sử dụng các 3DCM cho việc thuyết trình và trình diễn mô hình người đọc có thể nhận thấy bất kỳ đối tượng nào ở tất cả các góc độ mà 4 mức độ chi tiết khác nhau, tùy thuộc vào thao tác màn hình.

127 116 Mục đích chính của việc sử dụng các 3DCM như một bài thuyết trình và công cụ trình diễn cho dữ liệu không gian không đồng nhất là cung cấp một hình ảnh trực quan để có thêm thông tin không gian. Do đó, một đặc điểm chung của việc sử dụng các 3DCM cho các bài thuyết trình và trình diễn dữ liệu không gian không đồng nhất, cho dù đó là trong quá trình quy hoạch, hay trong quá trình quản lý đều cung cấp hình ảnh kèm thuộc tính cụ thể, hoặc cho các hệ thống tiếp thị thành phố và thông tin du lịch, đó là các mô hình thường nhằm tạo ra một cảm giác của sự hiện diện trong những người sử dụng cho phép trực giác của họ liên kết hình ảnh của 3DCM đến các địa điểm thực sự. 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. Hình 3.32: Mô hình 3DCM phục vụ trình diễn và giới thiệu thành phố Phân tích và 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 mô hình và phân tích trực quan cho các khu vực, lượng hóa các quan hệ hình học có thể

128 117 nhìn thấy hoặc có trợ giúp của các công cụ phần mềm ứng dụng làm cho quá trình thiết kế thực tế và khoa học hơn Mô phỏng không gian trực quan Khái niệm phân tích mô hình trực quan và tiêu chí phân tích đến từ phương châm thiết kế đô thị. Dựa trên 3DCM, nhà thiết kế có thể thực hiện việc thiết kế xen kẽ trong nó, và nhúng chương trình của họ vào 3DCM. Ví dụ, trong một số trường hợp, việc xây dựng phải phù hợp với đường ranh giới đỏ đối với một số khoảng cách, và có giới hạn chiều cao quy định. Sau đó, các nhà thiết kế đô thị có thể truyền đạt kết quả thiết kế của họ với hình thức mô hình điều khiển 3D, và đánh giá các hiệu ứng hình ảnh thông qua việc phân tích thị giác. Lựa chọn các loại nhà phù hợp cũng có thể được hướng dẫn bằng cách truy vấn cơ sở dữ liệu liên quan theo hướng dẫn thiết kế đô thị. Nếu chúng ta nhúng các tiêu chí định lượng không gian đô thị trong các mô hình phân tích thì có thể kiểm soát không gian đô thị một cách hiệu quả hơn. Hình 3.33: Bản đồ về kiểm soát chiều cao của trung tâm thành phố Thông qua việc hạn chế chiều cao của khu vực, việc kiểm soát khoảng cách các tòa nhà của 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. Sự hiệu quả

129 118 của khả năng phân tích tự động đã phát triển đáng kể trong những năm qua vì cải thiện rõ rệt của các phần cứng và thuật toán phần mềm. Những tiến bộ tương lai trong lĩnh vực này cuối cùng sẽ giúp giải quyết khả năng hiển thị khó nắm bắt phân tích trong môi trường đô thị ba chiều. Ngoài ra, trên mô hình 3DCM có thể phân tích không gian như tìm kiếm đối tượng theo khoảng cách, theo khu vực, theo đường. Theo khoảng cách, từ một vị trí để tìm các đối tượng (như tòa nhà) cách khoảng 300m. Hình 3.34: Tìm kiếm các đối tượng theo khoảng cách Hình 3.35: Tìm kiếm các đối tượng theo khu vực Phân tích trực quan và tính toán khả năng hiển thị Khả năng quan sát như một ngữ cảnh, liên quan đến phạm vi tầm nhìn,

130 119 chất lượng hình ảnh và tưởng tượng là yêu cầu của các quy hoạch cảnh quan và thiết kế 3D. Các vị trí có thể nhìn thấy bằng mắt dưới một góc nhìn nhất định có thể được tính toán diện tích và không gian chúng ta có thể nhìn thấy ở một số điểm quan sát. Nhưng những gì chúng ta thấy có thể không bằng những gì chúng ta tưởng tượng. Những gì chúng ta thấy có thể phụ thuộc vào mục đích và các điều kiện và phụ thuộc vào thời tiết, màu sắc. Tính toán tầm nhìn là tiền đề của việc phân tích trực quan. Tất nhiên, trường quan sát là một tập hợp của các trường nhìn thấy được. Để trình bày các tác động trực quan phù hợp cho thiết kế đô thị, phạm vi có thể nhìn thấy và cảm giác nên được hình dung, do đó người dùng có thể trích xuất các thông tin hình ảnh bản thân và thực hiện đánh giá. Chế độ đa năng và thời gian thực là một lựa chọn tốt. Hình 3.36: Phân tích tầm nhìn Phân tích chất lượng vật lý không gian đô thị Phân tích chất lượng vật lý quyết định mức độ thoải mái tinh thần của người dân. Môi trường tiếng ồn, điều kiện ánh sáng mặt trời, môi trường nhiệt, điều kiện thông gió và tình trạng ô nhiễm môi trường có thể được phân tích thông qua việc phân tích chất lượng vật lý đô thị. Việc phân tích chất lượng vật lý của không gian đô thị thường có thể có một tác động xã hội đối với đời sống con người. Việc bố trí và tính chất của các tòa nhà và không gian đô thị xung

131 120 quanh chúng ta có thể kiểm soát hành vi cư dân. Chúng ta có thể chọn bất kỳ ngày nào và nhận được thời gian ánh sáng mặt trời của bất kỳ nơi nào trên bất kỳ tòa nhà cùng một ngày. Nếu thời gian ánh sáng mặt trời đặt cố định, tòa nhà này sẽ được đánh dấu và hiển thị thời gian tại thời điểm đó. Đặc biệt, chúng ta có thể thấy sự thay đổi động bóng tòa nhà trong theo thời gian, do đó điều kiện ánh sáng mặt trời có thể được đánh giá trong môi trường 4D như Hình Hình 3.37: Bóng tòa nhà Một ứng dụng tiềm năng khác của các mô hình thành phố 3D là việc phân tích hệ thống thông gió. Với sự hợp nhất của tòa nhà chọc trời ngày càng nhiều, vấn đề thông gió xuất hiện. Áp suất từ hướng gió của tòa nhà cao tầng là tốt cho các hệ thống thông gió bên trong, nhưng đối với bên ngoài nó sẽ làm cho mọi người khó chịu đặc biệt là trong mùa đông lạnh. Càng nhiều tòa nhà cao tầng càng có các luồng không khí phức tạp hơn. Làm thế nào để tính toán các luồng không khí hoạt động và kiểm soát sự thay đổi của nó một cách chính xác là một vấn đề lớn đối với kiến trúc và thiết kế đô thị. Với các mô hình thành phố 3D, chúng ta có thể xây dựng các mô hình phân tích để mô phỏng hoạt động luồng không khí.