Cơ sở dữ liệu không gian địa lý phục vụ xây dựng thành phố thông minh

1. Đặt vấn đề

Cơ sở dữ liệu không gian địa lý đóng vai trò rất quan trọng trong các nền kinh tế quốc dân, đặc biệt là trong giai đoạn phát triển của cuộc cách mạng công nghiệp 4.0, chuyển đồi số để xây dựng chính phủ điện tử, chính phủ số hiện nay. Trong các hệ thống thông tin, thông tin không gian địa lý giữ vai trò rất quan trọng, làm nền tảng để xây dựng thành phố thông minh, phục vụ phòng chống thiên tai, bảo vệ môi trường…

Hiện nay, thành phố thông minh (Smart city) là xu hướng chung trên thế giới. Ở Việt Nam, Thủ tướng Chính phủ đã phê duyệt đề án phát triển thành phố thông minh bền vững giai đoạn 2018 - 2025 và định hướng đến năm 2030. Muốn phát triển thành phố thông minh cần thiết phải xây dựng hạ tầng dữ liệu thông tin không gian địa lý quốc gia và của các bộ, ngành liên quan. Kinh nghiệm thế giới cho thấy, 80% dữ liệu không gian địa lý giữ vai trò nền tảng trong quy hoạch và quản lý thành phố thông minh, không chỉ cho các nhà quản lý mà đặc biệt cung cấp các thông tin cần thiết cho người dân trong thành phố.

2. Tổng quan tình hình xây dựng thành phố thông minh

2.1 Trên thế giới

Trên thế giới cho đến nay nhiều nước phát triển đã xây dựng thành công nhiều thành phố thông minh như: NewYork, Copenhagen, Tokyo, Seoul, Thượng Hải, Singapore, Amsterdam, Cairo, Dubai…Các thành phố thông minh được nhóm trong bốn khu vực bao gồm Bắc Mỹ, Châu Âu, Châu Á-Thái Bình Dương, Mỹ Latinh. Đặc biệt, ở Châu Âu có nhiều thành phố thông minh nhất trên thế giới.

Là một xu hướng quản lý và điều hành đô thị xuất phát từ Mỹ (khởi nguồn từ đề xuất của Tập đoàn IBM năm 2009), ý tưởng thành phố thông minh đã chuyển từ khái niệm thành một hướng phát triển chủ đạo mang tính quốc tế trong vòng một thập niên qua, giúp các đô thị tối ưu hóa các nguồn lực và phát triển bền vững.

Hướng phát triển đô thị này thúc đẩy các thành phố trên thế giới nắm bắt lợi thế của công nghệ thông tin và những điều kiện quan trọng khác để thiết kế lại các thành phố theo hướng tiện nghi hơn và thân thiện với người dân hơn, nâng cao chất lượng sống của cư dân và giảm thiểu những nhược điểm của quá trình đô thị hóa, đồng thời góp phần nâng cao tính cạnh tranh quốc gia.

Theo bảng xếp hạng chỉ số thành phố thông minh của 118 thành phố trên thế giới do Trường Kinh doanh Viện Quản lý phát triển (IMD) Thụy Sĩ và Đại học Công nghệ và Thiết kế Singapore công bố tháng 11/2021, Singapore tiếp tục đứng đầu danh sách thành phố thông minh nhất thế giới năm thứ ba liên tiếp, vượt qua rất nhiều thành phố của châu Âu như Zurich, Geneva và Lausanne (Thụy Sĩ), Oslo (Na Uy), Helsinki (Phần Lan), Copenhagen (Đan Mạch) hay Bilbao (Tây Ban Nha). Đây là kết quả của những chính sách mà Singapore theo đuổi ở cấp độ thành phố lẫn quốc gia, đặc biệt là các dịch vụ chính phủ điện tử, các chiến lược giáo dục và đô thị lấy con ngườ trung tâm.

Hình 1. Chiến lược không gian địa lý của Singapore trong xây dựng thành phố thông minh

2.2 Tình hình ở Việt Nam

Dựa trên chủ trương xây dựng các thành phố thông minh của Chính phủ, nhiều địa phương ở Việt Nam đã bắt tay vào xây dựng và phê duyệt các đề án, định hướng phát triển thành phố thông minh, điển hình như thành phố Hồ Chí Minh, Hà Nội, Đà Nẵng, Hải Phòng, Quảng Ninh, Huế, Bình Dương, … Đến nay, cả nước có khoảng 30 địa phương đã phê duyệt và triển khai các đề án, dự án về phát triển thành phố thông minh.

Năm 2012, Đà Nẵng là đô thị đầu tiên được Tập đoàn công nghệ IBM chọn là 1 trong 33 thành phố trên thế giới, nhận tài trợ từ chương trình thành phố thông minh, với tổng giá trị tài trợ hơn 50 triệu USD, sử dụng giải pháp điều hành trung tâm thông minh để đảm bảo chất lượng nguồn nước phục vụ người dân, cung cấp giao thông công cộng tốt nhất và giảm thiểu ách tắc giao thông.

Ba thành phố lớn của Việt Nam là Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh và Đà Nẵng sẽ là một phần trong mạng lưới các thành phố thông minh của ASEAN do Singapore đề xuất tại Hội nghị Thượng đỉnh ASEAN lần thứ 32. Theo số liệu của Tập đoàn Viettel, yếu tố thuận lợi để phát triển đô thị thông minh ở Việt Nam là tỉ lệ người sử dụng Internet/tổng dân số ở Việt Nam khá lớn, lọt vào top 10 trong khu vực châu Á. Việt Nam hiện có khoảng 49 triệu người sử dụng Internet, đạt mật độ thâm nhập 51,5%. Một số đô thị có điều kiện thích hợp áp dụng mô hình đô thị thông minh gồm: Hải Phòng, Hạ Long, Huế, Cần Thơ, Rạch Giá, Phú Quốc, Nha Trang, Quy Nhơn.

Cùng với phát triển các tiện ích thông minh, các địa phương cần chú trọng xây dựng nền tảng cơ sở dữ liệu thông minh phục vụ đưa ra các quyết định thông minh; thúc đẩy quy hoạch và các giải pháp quản lý đô thị thông minh. Đồng thời, tiếp tục đẩy mạnh các chương trình chiến lược khoa học, phát triển nguồn nhân lực chất lượng cao, gắn kết hài hòa các chương trình đổi mới sáng tạo, chuyển đổi số và định hướng phát triển đô thị thông minh bền vững.

3. Giải pháp công nghệ xây dựng CSDL không gian địa lý

Để thực hiện các mục tiêu xây dựng hạ tầng dữ liệu không gian địa lý quốc gia, Bộ Tài nguyên và Môi trường xác định các nhiệm vụ và giải pháp đồng bộ bao gồm: Hoàn thiện thể chế, chính sách pháp luật về đo đạc và bản đồ; xây dựng, hoàn thiện hệ thống tiêu chuẩn, quy chuẩn kỹ thuật về hạ tầng dữ liệu không gian địa lý; xây dựng, cập nhật cơ sở dữ liệu nền địa lý quốc gia. Tăng cường năng lực trang thiết bị kỹ thuật, công nghệ trong công tác cập nhật, quản lý, khai thác, vận hành cơ sở dữ liệu nền địa lý quốc gia; xây dựng, vận hành Cổng thông tin không gian địa lý Việt Nam; bồi dưỡng nguồn nhân lực đáp ứng cho xây dựng hạ tầng dữ liệu không gian địa lý quốc gia.

Dưới dây giới thiệu các giải pháp công nghệ chính xây dựng cơ sở dữ liệu không gian địa lý phục vụ xây dựng thành phố thông minh.

3.1 Giải pháp đo đạc trực tiếp

Sử dụng các thiết bị đo đạc trực tiếp địa hình như các máy toàn đạc điện tử, máy thủy chuẩn, các máy thu GNSS để xác định vị trí, hình thể các đối tượng địa lý, điều tra thông tin thuộc tính của đối tượng địa lý theo độ chính xác yêu cầu và quy định kỹ thuật.

Hiện nay, mạng lưới các trạm định vị vệ tinh trên lãnh thổ Việt Nam thuộc Dự án “Xây dựng mạng lưới trạm định vị toàn cầu bằng vệ tinh trên lãnh thổ Việt Nam” đang được xây dựng và từng bước đưa vào quản lý, vận hành và cung cấp dữ liệu cải chính cho công nghệ đo đạc GNSS. Do vậy, công nghệ đo đạc trực tiếp địa hình có nhiều thuận lợi khi ứng dụng các giải pháp đo GNSS-RTK (GNSS động thời gian thực), đo GNSS động xử lý sau, đo GNSS chế độ đo tĩnh xử lý sau.

 Tuy nhiên, giải pháp này được thực hiện thủ công do vậy tiến độ thi công chậm, tốn nhiều công sức, nhân lực và trang thiết bị máy móc, chỉ phù hợp cho phạm vi nhỏ (tòa nhà, dự án, khu phố) đối với yêu cầu nhiệm vụ thực hiện xây dựng CSDL không gian địa lý ở phạm vi rộng lớn, cần sự tự động hóa cao là không phù hợp.

3.2 Giải pháp bay chụp, đo vẽ ảnh hàng không số

Công tác bay chụp ảnh phục vụ đo vẽ xây dựng CSDL nền địa lý quốc gia, bản đồ địa hình quốc gia và xây dựng CSDL không gian địa lý 3Dở nước ta đều sử dụng các máy chụp ảnh số hàng không hiện đại (chụp ảnh màu) có tích hợp hệ thống dẫn đường quán tính GNSS/IMU. Kèm theo, các công cụ, phần mềm xử lý dữ liệu, đo vẽ ảnh tại nội nghiệp cũng đã phát triển, đa năng, đa nhiệm hơn.

Giải pháp bay chụp, đo vẽ ảnh số sẽ cho ra các sản phẩm bình đồ ảnh màu tự nhiên dạng số; các đối tượng địa lý được đo vẽ trên các trạm đo vẽ ảnh số, cho ra các thông tin về vị trí, hoặc cả giá trị độ cao của từng đối tượng địa lý. Thông tin thuộc tính của các đối tượng địa lý được đoán đọc tại nội nghiệp và điều tra bổ sung tại ngoại nghiệp. Giải pháp bay chụp, đo vẽ ảnh hàng không số có ưu điểm là quy trình sản xuất đã quen thuộc với các cơ quan quản lý và các đơn vị thi công, có khả năng sản xuất ra sản phẩm dữ liệu thông tin địa lý có độ chính xác cao. Hạn chế lớn nhất của giải pháp này là công tác bay chụp ảnh số phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện thời tiết. Giải pháp này phù hợp trong thu nhận thông tin địa lý tại các khu vực có địa hình phức tạp, khu vực thi công khó tiếp cận.

3.3. Giải pháp đo vẽ ảnh vệ tinh

Tương tự như giải pháp bay chụp, đo vẽ ảnh số hàng không. Các cảnh ảnh vệ tinh thường có diện tích lớn hơn rất nhiều so với một tấm ảnh số hàng không. Vì vậy, các công đoạn: thu chụp ảnh (tính trên cùng một phạm vi diện tích), tăng dày khống chế ảnh vệ tinh, đo vẽ ảnh vệ tinh, lập bình đồ ảnh số, xác định phạm vi biến động, đánh giá mức độ biến động các đối tượng địa lý ngay tại nội nghiệp có khả năng rút ngắn được thời gian thi công so với các công đoạn tương ứng trong công nghệ đo vẽ ảnh số hàng không. Đặc biệt là tại các khu vực địa hình hiểm trở, khó khăn về điều kiện thời tiết, các khu vực ven biên giới, các khu vực hạn chế bay, việc thu chụp ảnh vệ tinh thể hiện ưu điểm vượt trội so với việc bay chụp ảnh số bằng máy bay.

Hạn chế lớn nhất của giải pháp này là giá thành của ảnh vệ tinh lập thể độ phân giải cao đang khá cao so với việc bay chụp ảnh số; ngoài ra, ở Việt Nam hiện nay chưa cho các vệ tinh viễn thám chụp ảnh lập thể 3D nên khó chủ động trong việc bảo đảm tư liệu phục vụ xây dựng dữ liệu không gian địa lý.

3.4. Công nghệ LiDAR kết hợp chụp ảnh số

a. Công nghệ bay quét LiDAR và chụp ảnh số đa hướng

Giải pháp bay quét LiDAR kết hợp chụp ảnh số đa hướng sẽ cho ra các sản phẩm mô hình số độ cao có độ chính xác cao có khả năng đạt độ chính xác về độ cao từ 0,2÷0,4m và sản phẩm bình đồ ảnh trực giao (ortho-image) hoặc bình đồ ảnh trực giao thực (true-ortho image) mầu dạng số có độ chính xác cao đạt sai số vị trí mặt phẳng ≤±2,0m. Vị trí, kích thước của các đối tượng địa lý được đo vẽ tại nội nghiệp trên nền bình đồ ảnh. Thông tin thuộc tính của các đối tượng địa lý được đoán đọc tại nội nghiệp và điều tra bổ sung tại ngoại nghiệp.

Hệ thống CityMapper 2 là công nghệ mới nhất được bố trí đồng thời hai loại đầu thu (quang học và LiDAR) nhằm phát huy ưu điểm và khắc phục nhược điểm của từng phương pháp, như vậy sản phẩm đầu ra sẽ có độ chính xác của dữ liệu LiDAR gồm có: mô hình số địa hình DTM, mô hình số bề mặt DSM và các mô hình Mesh, đám mây điểm dày đặc được chiết xuất từ dữ liệu ảnh quang học và bình đồ ảnh.

Hệ thống được tích hợp thiết bị dẫn đường và định vị vệ tinh GNSS, IMU nên sản phẩm quét LiDAR và chụp ảnh số đa hướng đều có giá trị tọa độ, điều này giúp quá trình xử lý dữ liệu được thuận lợi và nâng cao độ chính xác của sản phẩm.

Đặc biệt, các máy ảnh được bố trí xiên của Hệ thống sẽ hỗ trợ thu nhận ảnh từ các góc nhìn khác nhau (gần như 360 độ), công việc này giúp việc thu nhận hình ảnh đối tượng một cách tối đa, hạn chế thấp nhất việc che khuất của đối tượng, giúp việc thành lập bản đồ 3D và mô hình 3D địa vật được chính xác và đầy đủ nhất. Hệ thống phần mềm hiện tại có khả năng tự động hóa cao trong công tác đo vẽ, chiết xuất, sử dụng thông tin từ dữ liệu quét LiDAR và chụp ảnh số đa hướng. Sản phẩm tự động hóa cho mô hình 3D ở LOD 2 hoàn toàn đáp ứng yêu cầu nhiệm vụ xây dựng CSDL không gian địa lý 3D.

Đây là giải pháp công nghệ hiện đại, có khả năng thu thập dữ liệu (dữ liệu LiDAR và ảnh số) ở diện rộng trong thời gian ngắn. Quá trình xử lý dữ liệu và xây dựng dữ liệu sản phẩm bằng phần mềm cũng được tự động hóa ở nhiều khâu nên rút ngắn nhiều thời gian thi công, phù hợp với chủ trương hiện đại hóa Quân đội, đáp ứng yêu cầu, nhiệm vụ trong tình hình mới.

b. Công nghệ quét LiDAR và chụp ảnh số mặt đất

Các công nghệ như đo vẽ ảnh hàng không, ảnh vệ tinh; quét LiDAR hàng không chỉ có thế mạnh cho ra các sản phẩm mà có thể quan sát được từ trên cao xuống mặt đất; trong khi đó thế mạnh chủ yếu của công nghệ quét LiDAR và chụp ảnh số mặt đất là tạo ảnh và đám mây điểm, hình ảnh mặt đất. Khi công nghệ quét LiDAR mặt đất được kết hợp với các công nghệ khác sẽ cho ra sản phẩm đầy đủ, trực quan hơn.

Trong lĩnh vực xây dựng CSDL không gian địa lý 3D, công nghệ quét LiDAR mặt đất được sử dụng kết hợp với công nghệ quét LiDAR hàng không hoặc UAV để thu được dữ liệu không gian đầy đủ (cả từ trên không và dưới mặt đất) của đối tượng.

Hình 3. Thử nghiệm quét khu vực nhà ga T1 sân bay Nội Bài bằng máy quét Leica P20

c. Công nghệ quét LiDAR và chụp ảnh số từ UAV

Trong những năm gần đây công nghệ bay chụp ảnh bằng các thiết bị bay không người lái (UAV/Drone) được ứng dụng trong lĩnh vực khảo sát bề mặt đất. Có rất nhiều công ty trên thế giới như Leica, Trimble, Boeing, RIEGL, Pix4D... đã và đang phát triển các thiết bị bay không người lái thương mại phục vụ đo vẽ địa hình.

UAV LiDAR về cơ bản là một hệ thống LiDAR di động được mang trên một chiếc UAV. Nó sử dụng cảm biến LiDAR kết hợp hệ thống IMU và GNSS chính xác. UAV LiDAR cho phép tạo dữ liệu đám mây điểm có độ chính xác cao, khả năng xuyên qua tán cây tốt hơn, hỗ trợ bóc tách lớp phủ, thời gian xử lý dữ liệu nhanh.

Tuy nhiên giá thành thiết bị và phần mềm xử lý đi kèm của hãng đắt đỏ. Thủ tục cấp phép bay và điều kiện thời tiết ảnh hưởng đến khả năng bay, trần bay thấp. Áp dụng cho các khu vực có phạm vi hạn chế, các công trình dạng tuyến.

4. Một số kết quả đã triển khai tại Việt Nam

Giai đoạn từ năm 2008 đến năm 2012, Chính phủ đã quan tâm đầu tư cho ngành Đo đạc và bản đồ, trong đó có 2 dự án Chính phủ “Thành lập cơ sở dữ liệu nền thông tin địa lý ở tỷ lệ 1:10.000 gắn với mô hình số độ cao phủ trùm cả nước” và “Thành lập cơ sở dữ liệu nền thông tin địa lý ở tỷ lệ 1:2.000, 1:5.000 các khu vực đô thị, khu công nghiệp, khu kinh tế trọng điểm”. Sản phẩm của các dự án gồm cơ sở dữ liệu nền địa lý và bản đồ địa hình tỷ lệ 1:2.000, 1:5.000, 1:10.000 đã được bàn giao cho các tỉnh, thành phố trên toàn quốc.

Việc “Xây dựng cơ sở dữ liệu nền địa lý quốc gia và thành lập bản đồ địa hình quốc gia tỷ lệ 1:25.000, 1:100.000, 1:500.000; Biên tập bản đồ địa hình quốc gia tỷ lệ 1:250.000, 1:1.000.000 từ cơ sở dữ liệu nền địa lý quốc gia cùng tỷ lệ phần đất liền. Biên tập bản đồ địa hình đáy biển gốc số tỷ lệ 1:250.000, 1:1.000.000; Xây dựng cơ sở dữ liệu nền địa lý quốc gia và thành lập bản đồ địa hình đáy biển tỷ lệ 1:500.000 trên vùng biển Việt Nam” được triển khai từ năm 2020 đến nay đã đến giai đoạn nghiệm thu các sản phẩm. Công ty TNHH MTV Trắc địa Bản đồ thuộc Cục Bản đồ/BTTM là đơn vị trực tiếp thi công.

Trong Quân đội, hiện nay Cục Bản đồ/BTTM đang triển khai thực hiện nhiệm vụ “Thành lập bản đồ không gian ba chiều(3D) một số thành phố trọng điểm” bao gồm 18 thành phố trọng điểm. Công ty TNHH MTV Trắc địa Bản đồ được giao lập Thiết kế kỹ thuật thi công thí điểm thành phố Hải Phòng. Dữ liệu không gian địa lý 3D là sản phẩm dự án sẽ được phục vụ các mục đích quốc phòng, đồng thời sẽ được cung cấp cho các bộ, ngành, địa phương để xây dựng hạ tầng dữ liệu không gian địa lý quốc gia phục vụ phát triển kinh tế xã hội.

5. Kết luận và kiến nghị

Phát triển thành phố thông minh là một hướng đi tất yếu, phù hợp với xu hướng quốc tế, tận dụng được những cơ hội, thành quả của cuộc CMCN 4.0, phù hợp với thực tiễn phát triển của đất nước. Trong đó, cùng với phát triển các tiện ích thông minh, cần chú trọng xây dựng nền tảng cơ sở dữ liệu thông minh phục vụ đưa ra các quyết định thông minh và dữ liệu không gian địa lý giữ vai trò nền tảng trong quy hoạch và quản lý thành phố thông minh.

Trong thời gian tới, Công ty TNHH MTV Trắc địa Bản đồ rất mong được sự quan tâm, lãnh đạo, chỉ đạo hơn nữa của Đảng ủy, Thủ trưởng Cục Bản đồ và sự phối hợp chặt chẽ với các Phòng, Ban, Trung tâm của Cục Bản đồ để thực hiện tốt các dự án.

Tài liệu tham khảo:

[1]      Thủ tướng Chính phủ (2018), Quyết định số 950/QĐ-TTg ngày 1/8/2018 Phê duyệt Đề án phát triển đô thị thông minh bền vững Việt Nam giai đoạn 2018 - 2025, định hướng đến năm 2030.

[2]      Bộ Tài nguyên và Môi trường, 2019, Đề án xây dựng, hoàn thiện cơ sở dữ liệu nền địa lý quốc gia.

[3]      Cục Bản đồ/BTTM, 2020, Quy định kỹ thuật cơ sở dữ liệu không gian địa lý và bản đồ ba chiều tỷ lệ 1/2.000, 1/5.000 và 1/10.000.