Dữ liệu địa không gian trong công tác xây dựng bản sao kỹ thuật số (Digital Twin) cho thành phố Milan, Italy
Hoàng Anh Thế
Viện Nông nghiệp và Tài nguyên, trường Đại học Vinh
Thành phố Milan (Milano) nằm ở miền Bắc nước Ý, là một trong những đô thị phát triển nhất châu Âu và là thủ phủ của vùng Lombarrdia. Đây là thành phố lớn thứ 5 châu Âu với hơn 1,3 triệu dân, trong đó có 13% dân số là người nước ngoài và được xếp vào top 12 thành phố đắt đỏ trên thế giới [1].
Milan có khá nhiều công trình kiến trúc nhiều tuổi nổi tiếng, đại diện cho nghệ thuật kiến trúc Baroque và Gothic điển hình như quảng trường Piazza del Duomo, thánh đường Duomo, nhà hát opera Teatro della Scala, lâu đài Sforzesco,.... Thành phố này còn được gọi là kinh đô thời trang của thế giới, là nơi tập trung hơn 80 nhãn hiệu thời trang hàng đầu thế giới với các tên tuổi nổi bật như Prada, Versace, Davis, Luis Vuitton, Gucci, Pollini, Moni,…. Với tầm quan trọng về mặt lịch sử cũng như kinh tế, chính quyền thành phố Milan rất quan tâm đến mặt quản lý và phát triển thành phố bằng cách áp dụng các tiến bộ khoa học kỹ thuật vào vào công tác quản lý đô thị. Trọng tâm của sự phát triển này là sản phẩm bản sao kỹ thuật số (Digital Twin) - một mô phỏng toàn diện, giàu dữ liệu về thành phố cho phép các nhà quy hoạch, kỹ sư và nhà hoạch định chính sách lập mô hình và đánh giá các kịch bản trong tương lai.
Bản sao kỹ thuật số là mô hình ảo của một đối tượng vật lý. Bản sao này trải khắp vòng đời của đối tượng và sử dụng dữ liệu theo thời gian thực từ các cảm biến trên đối tượng để mô phỏng hành vi và giám sát hoạt động. Các bản sao kỹ thuật số có thể sao chép nhiều hạng mục ngoài đời thực, từ các thiết bị đơn lẻ trong một nhà máy cho đến phiên bản lắp ráp hoàn chỉnh, chẳng hạn như tua-bin gió và thậm chí toàn bộ các thành phố. Công nghệ bản sao kỹ thuật số cho phép bạn giám sát hiệu suất của tài sản, xác định các lỗi tiềm ẩn và đưa ra quyết định sáng suốt hơn về công việc bảo trì và vòng đời [2]. Bản sao kỹ thuật số của thành phố Milan đang định hình môi trường đô thị, tạo ra một mô hình năng động và toàn diện.
1. Dữ liệu địa không gian định hình tương lai quy hoạch đô thị
Dự án bao phủ một khu vực rộng khoảng 1.575km2, bao gồm Milan và các thành phố xung quanh, với sự tham gia bốn công ty thông tin địa lý hàng đầu: Compagnia Generale Ripreseaeree (CGR SpA) để khảo sát trên không, CycloMedia để lập bản đồ di động, Esri Italia SpA để quản lý dữ liệu và Servizi Informazione Territoriale (SIT Srl) để khảo sát địa hình. Phòng thí nghiệm Địa tin học tại Đại học Pavia cũng tham gia vào quá trình phân tích và đánh giá chất lượng dữ liệu. Kết quả bản sao kỹ thuật số cung cấp một tập dữ liệu phong phú và đa dạng, nắm bắt nhiều khía cạnh của môi trường đô thị từ nhiều góc độ khác nhau. Nó kết hợp hình ảnh trên không, đám mây điểm Lidar và dữ liệu lập bản đồ di động trên mặt đất để tạo ra một mô hình thành phố năng động và toàn diện. Dự án cũng cung cấp nhiều sản phẩm như ảnh chỉnh hình thực (hình ảnh hồng ngoại màu và RGB), đám mây điểm Lidar được phân loại, mô hình DTM và DSM và cơ sở dữ liệu gồm 22 đối tượng đô thị như đèn giao thông, chỗ ngồi ngoài trời, cổng và biển báo đường bộ,...
2. Dữ liệu ảnh trên không
Một thành phần quan trọng của Dự án bản sao kỹ thuật số Milan là việc sử dụng khảo sát hàng không có người lái, do CGR SpA, một trong những thành viên sáng lập của Hiệp hội các ngành công nghiệp khảo sát hàng không châu Âu (European Association of Aerial Surveying Industries - EAASI) dẫn đầu. Công ty chịu trách nhiệm thu thập và xử lý dữ liệu không gian địa lý có độ phân giải cao, tạo thành nền tảng cho mô hình 3D của thành phố. Các máy bay đã sử dụng cảm biến tiên tiến Leica City Mapper-2 để chụp hình ảnh và thu thập các đám mây điểm Lidar. Yêu cầu thu thập chỉ định rằng hình ảnh trên không phải có độ phân giải 5 cm và mật độ đám mây điểm phải ít nhất là 20 điểm/m2. Tuy nhiên dữ liệu LiDAR đã vượt quá yêu cầu ban đầu của dự án, đạt được mật độ trung bình ấn tượng là 55 điểm trên một mét vuông.
Khảo sát đã tạo ra hơn 434.000 hình ảnh và hơn 220 tỷ điểm, cần hơn 50 TB dung lượng lưu trữ. Độ chính xác theo chiều dọc của dữ liệu Lidar là 4,8 cm và độ chính xác theo chiều ngang là 12,2 cm. Dựa trên chất lượng của dữ liệu thu được, các sản phẩm thể hiện mức độ xuất sắc tương đương. Các ảnh chỉnh hình, cả RGB và CIR, đều có lỗi 2D là 2,5 cm, trong khi DSM và DTM có độ chính xác theo chiều dọc từ 4 đến 5 cm.
Hình 1. Các sản phẩm từ dữ liệu ảnh trên không: đám mây điểm Lidar được phân loại, DSM và DTM, và ảnh trực giao RGB và CIR [3].
3. Dữ liệu bản đồ di động
Hệ thống lập bản đồ di động (Mobile Mapping System - MMS) tập trung vào Milan, nơi cảm biến của công ty CycloMedia bao phủ gần 2.600 km đường. Dữ liệu MMS phải có độ phân giải hình ảnh là 8 mm cho mỗi pixel hoặc ít hơn và mật độ đám mây điểm ít nhất là 1.500 điểm/m2 (cả hai ngưỡng đều đề cập đến dữ liệu thu thập được ở khoảng cách 10 m từ đường đi của phương tiện). Dữ liệu MMS chiếm hơn 10 TB bộ nhớ, bao gồm hình ảnh, đám mây điểm và cơ sở dữ liệu gồm khoảng 1,2 triệu phần tử.
4. Mạng lưới điểm khống chế Trắc địa mặt đất
Hình 2. Mốc địa hình và mốc trắc địa ảnh của dự án [3]
Để xây dựng mạng lưới kiểm soát mặt đất chất lượng cao đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy của dữ liệu, dự án đã thiết lập 200 cặp điểm kiểm soát phân bố đều khắp khu vực đô thị. Mỗi cặp điểm bao gồm một điểm mốc địa hình ổn định đóng vai trò là điểm tham chiếu trắc địa, điểm còn lại là điểm trắc địa ảnh được vẽ trên mặt đất, hai điểm cách nhau 100m (Hình 2). Mạng lưới khống chế mặt đất được xây dựng bằng phương pháp đo tĩnh. Kết quả xử lý lưới thu được sai số trung bình là 8mm đối với hướng Đông, 9mm đối với hướng Bắc và 13mm đối với độ cao.
5. Các phần mềm truy cập dữ liệu
Hai công cụ chính đã được sử dụng để tối ưu hóa quản lý dữ liệu đô thị và tạo điều kiện cho sự hợp tác giữa các thực thể địa phương. Công cụ đầu tiên là một ứng dụng web do CycloMedia phát triển cho phép người dùng xem, phân tích và chia sẻ thông tin không gian địa lý theo cách thân thiện với người dùng, hữu ích cho quy hoạch đô thị và quản lý tài nguyên. Công cụ thứ hai là một plugin cho môi trường Esri ArcGIS cho phép tích hợp các tập dữ liệu phức tạp vào quy trình làm việc hiện có, do đó cải thiện hiệu quả và độ chính xác của phân tích không gian địa lý. Các giải pháp sáng tạo này sẽ cho phép Thành phố Milan đưa ra quyết định kịp thời và sáng suốt dựa trên dữ liệu chính xác và cập nhật.
Hình 3. Minh họa bản sao kỹ thuật số của thành phố Milan [3]
6. Kết luận
Bản sao kỹ thuật số của Milan đóng vai trò là chuẩn mực cho những gì có thể đạt được khi công nghệ tiên tiến, chuyên môn và sự hợp tác hội tụ, mở đường cho một tương lai bền vững hơn và dựa trên dữ liệu. Bằng cách tích hợp các loại dữ liệu khác nhau từ các cuộc khảo sát trên không và trên mặt đất, dự án cung cấp góc nhìn toàn diện và chính xác về môi trường đô thị, các đặc điểm và những thay đổi theo thời gian. Dự án cũng chứng minh cách các công cụ phần mềm tiên tiến có thể tạo điều kiện thuận lợi cho việc truy cập, phân tích và chia sẻ các tập dữ liệu phức tạp, tăng cường sự hợp tác và ra quyết định giữa các bên liên quan khác nhau.
Một số thành phố khác của châu Âu đang thể hiện sức mạnh của công nghệ này [4]:
- Helsinki, Phần Lan: Bản sao kỹ thuật số của họ, được phát triển thành Atlas Năng lượng và Khí hậu, giúp đạt được các mục tiêu trung hòa carbon thông qua phân tích dữ liệu chi tiết.
- Barcelona, Tây Ban Nha: Barcelona đã phát triển bản sao kỹ thuật số cho các sáng kiến thành phố thông minh của mình. Bản sao kỹ thuật số của thành phố tập trung vào việc cải thiện hiệu quả năng lượng, quản lý chất thải và tính di động trong đô thị. Bản sao này tích hợp dữ liệu từ nhiều nguồn khác nhau để tạo ra một mô hình toàn diện về cơ sở hạ tầng và dịch vụ của thành phố
- Tampere, Phần Lan: Là những khái niệm tiên phong về "cityverse", Tampere sử dụng bản sao kỹ thuật số cho các dịch vụ dành cho người đi bộ và sự tham gia sáng tạo của công dân vào thiết kế đô thị.
- Rotterdam, Hà Lan: đã phát triển bản sao kỹ thuật số nội địa để cải thiện quy hoạch đô thị và quản lý cơ sở hạ tầng. Nền tảng này tích hợp dữ liệu thời gian thực để mô phỏng các tình huống, tối ưu hóa các dịch vụ của thành phố và tăng cường các sáng kiến về tính bền vững.
Kết quả của các dự án cho thấy cách một thành phố kỹ thuật số có thể mang lại những khả năng mới để cải thiện chất lượng cuộc sống, tính bền vững và khả năng phục hồi của các khu vực đô thị. Điều này chúng ta tưởng tượng về một thế giới mà mọi thành phố đều có một bản sao kỹ thuật số, nơi dữ liệu địa không gian trở thành tài sản có giá trị để thúc đẩy phát triển đô thị và nơi công nghệ là chất xúc tác cho sự thay đổi xã hội. Chúng ta hi vọng rằng trong một tương lai không xa, các thành phố lớn ở Việt Nam cũng có bản sao kỹ thuật số cho riêng mình.
Tài liệu tham khảo
[1] https://vi.wikipedia.org/wiki/Milano
[2] https://aws.amazon.com/vi/what-is/digital-twin/
[3] https://www.gim-international.com/content/article/milan-s-digital-twin-project
[4]https://www.geoweeknews.com/news/mapping-milan-airborne-lidar-and-photogrammetry-drive-digital-twin-creation
