MÔ HÌNH THÀNH PHỐ 3D VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG

MÔ HÌNH THÀNH PHỐ 3D VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG

Đặng Thanh Tùng, Phạm Đình Tỉnh

1. YÊU CẦU VỀ MÔ HÌNH THÀNH PHỐ 3D ẢO

Mô hình thành phố 3D ảo là một trong những thành phần dữ liệu cốt lỗi cốt lõi của hệ thống thông tin địa lý 3 chiều. Hiện nay đã có rất nhiều thành phố trên thế giới xây dựng mô hình 3D phục vụ công tác quản lý đất đai, bất động sản , quy hoạch đô thị, dịch vụ hành chính công và ứng dụng cho rất nhiều ngành khác

Để đảm bảo tính hiệu quả trong khai thác và sử dụng cho các lĩnh vực khác nhau, việc xây dựng mô hình thành phố 3D ảo cần xác định được một số yêu cầu cơ bản:

• Hỗ trợ tích hợp các nguồn dữ liệu hành chính không đồng nhất.

• Đánh giá, cập nhật liên tục các dữ liệu địa lý 3D.

• Xác lập khả năng tương thích chính xác của mô hình với cơ sở dữ liệu địa chính chính thức.

• Đảm bảo tương tác và khả năng giao tiếp của mô hình thành phố ảo 3D cho người dùng đa mục tiêu và các lĩnh vực ứng dụng khác nhau.

• Đảm bảo khả năng phát triển bền vững của mô hình 3D ảo trong thực tế.

Hình 1: sơ đồ cấu trúc mô hình thành phố 3D ảo tại Berlin 2005 [7]

2. XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH THÀNH PHỐ 3D ẢO

Mô hình thành phố 3D ảo thể hiện không gian đô thị tham chiếu trên nền  dữ liệu địa lý. Thành phần cơ bản của mô hình bao gồm các mô hình số địa hình (DTMs), mô hình các công trình kiến trúc, đường phố, không gian và các mô hình không gian xanh. Mô hình thành phố 3D ảo (3D geovirtual viết tắt là GeoVEs) cho phép thực hiện việc tương tác với người sử dụng nhằm khai thác các nội dung, thông tin trên mô hình thành phố 3D ảo một cách hiệu quả. Với môi trường dữ liệu này, người sử dụng có thể khám phá, phân tích các thông tin, quản lý và lưu trữ thông tin địa tin học. Mô hình thành phố 3D ảo là một trong những thành phần chính tạo nên hệ thống thông tin địa lý 3 chiều (3D GIS).

2.1.Xu hướng tự động hóa

Một trong những rào cản chính trong việc phát triển các mô hình thành phố 3D ảo thời gian xây dựng và chi phí tốn kém. Việc xây dựng vô số mô hình hình học có thể được chấp nhận trong các mô hình thành phố quy mô nhỏ nhưng nhưng còn tốn nhiều thời gian đối với các thành phố có quy mô lớn và việc quản lý dữ liệu này được yêu cầu trong thời gian dài. Do đó, mô hình thành phố 3D ảo cần phải xây dựng dựa trên phương pháp thu thập tự động và bán tự động tại bất cứ nơi nào có thể. Những tiến bộ gần đây trong công nghệ viễn thám và xử lý dữ liệu có thể khắc phục được hạn chế này. Công nghệ 3D, xử lý dữ liệu viễn thám cung cấp một mức độ tự động ngày càng cao. Việc tự động hóa xây dựng các mô hình hình học của các công trình kiến trúc có độ chi tiết cao bao gồm cả mái nhà và các các thảm thực vật trong đô thị hiện nay cũng đã đạt tới mức độ tương đối cao. Ngoài ra, các phương pháp thu thập dữ liệu bổ trợ trên thực địa hiện nay phần lớn cũng đã được tự động hóa ví dụ như các giải pháp của Street view…

2.2. Xu hướng hội nhập

Việc khai thác, sử dụng mô hình ảo chỉ có thể phát huy hiệu quả khi được tích hợp với hệ thống hành chính của chính quyền. Mô hình ảo cũng cần được chấp nhận trong hệ thống pháp luật và được cập nhật thường xuyên để đảm bảo hội nhập và phát triển. Nếu không có tích hợp liền mạch, các mô hình thành phố 3D ảo sẽ có xu hướng vẫn còn bị cô lập và có thể trở nên nhanh chóng lỗi thời.

Trong những năm trước đây, hầu hết các mô hình thành phố 3D ảo đã được thực hiện như các mô hình hoàn toàn là đồ họa hoặc hình học. Những mô hình này mang tính trình diễn đồ họa 3D các đối tượng giúp quan sát đô thị một cách trực quan.

Hiện nay, việc tích hợp dữ liệu và xây dựng topo đảm bảo cho mô hình này có thể không chỉ được sử dụng cho mục đích hình dung, quan sát mà còn cho phép sử dụng để truy vấn chuyên đề, phân tích hoặc khai thác dữ liệu không gian. Số lượng ứng dụng mô hình 3D ảo trong thực tế ngày càng tăng, ví dụ như các giải pháp trong lĩnh vực viễn thông, quản lý thiên tai, an ninh quốc gia, quản lý cơ sở, các cổng thông tin bất động sản, hậu cần, giải trí và giáo dục...

2.3. Xu hướng tiêu chuẩn thể hiện nội dung của mô hình thành phố ảo

Trước đây, người ta sử dụng mô hình dữ liệu mở có định dạng dựa trên XML và giờ đây với sự phát triển của CityGML, việc trao đổi, lưu trữ mô hình thành phố 3D ảo trở nên thuận lợi hơn.  CityGML có thể trở thành tiêu chuân quốc tế và được sử dụng miễn phí để thể hiện vào trao đổi dữ liệu địa không gian dạng mở. Dữ liệu của mô hình bao gồm các đối tượng cơ bản như: mô hình số địa hình (DTMs), các đối tượng kiến trúc (bao gồm cả các tòa nhà, cầu, hầm, ...), thực vật, thủy hện,  phương tiện giao thông vận tải và các đối tượng cần thiết khác (bao gồm cả đèn giao thông, biển báo giao thông, biển quảng cáo, ...

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 [7].

3. DỮ LIỆU ĐỊA LÝ CƠ BẢN CHO MÔ HÌNH THÀNH PHỐ 3D ẢO

3.1.Dữ liệu địa chính: Cơ sở dữ liệu địa chính cung cấp các thông tin chính xác về kích thước, hình dạng của tòa nhà và thửa đất cũng như quyền sở hữu và các thông tin liên quan theo quy định của pháp luật.

3.2. Mô hình số địa hình (DTMs): Có thể sử dụng DTMs có độ phân giải khác nhau, nhiều nơi người ta sử dụng DTMs với độ phân giải 20m hoặc kết hợp với các DTMs có độ phân giải cao hơn. Đối với những khu vực cần quan tâm đặc biệt, có thể sử dụng DTMs ở mức độ chi tiết rất cao.

3.3. 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].

3.4. Xây dựng các mô hình chi tiết: Mô hình hình học 3D của các khối kiến trúc có thể được xây dựng lý bằng phương pháp quét laser mặt đất và hàng không (phương pháp Lidar) nhằm mang lại mức độ chi tiết cao cho các mô hình. Các khối kiến trúc được thể hiện ở các mức độ chi tiết (LOD) khác nhau: mô hình cả khối (LOD-1), mô hình hình học (LOD-2), mô hình kiến trúc (LOD-3), mô hình chi tiết (LOD-4) và có thể rất chi tiết bao gồm cả các chi tiết bên trong (LOD5) [7].

Ngoài các nguồn dữ liệu địa lý thiết yếu được liệt kê ở trên, các mô hình thành phố 3D ảo có thể được tăng cường bởi các nguồn dữ liệu 2D truyền thống phục vụ việc tham chiếu địa lý ví dụ như bản đồ 2D dạng raster, các hệ thống dữ liệu nguồn dạng vector (mạng lưới giao thông vận tải, thủy hệ,…).

4. NHU CẦU, KHẢ NĂNG KHAI THÁC ỨNG DỤNG

Tùy thuộc vào nhu cầu của các ngành, các lĩnh vực ứng dụng khác nhau, người ta có thể sử dụng mô hình thành phố  3D ảo ở các mức độ thể hiện chi tiết khác nhau và chiết xuất các thông tin chuyên ngành theo yêu cầu. Với công nghệ Web 3D đang ngày càng phát triển. việc khai thác mô hình thành phố 3D ảo theo thời gian thực đang ngày càng trở nên hữu ích. Từ khoảng những năm 2005 trở lại đây đã có rất nhiều tổ chức thuộc nhà nước hay các công ty trên thế giới tham gia xây dựng và khai thác mô hình 3D thành phố ảo ước tính có trên 350 thành phố trên thế giới đã xây dựng mô hình 3D ảo. Trong khuôn khổ của tài liệu này, chúng tôi chỉ liệt kê sơ bộ một số ứng dụng cơ bản của mô hình thành phố 3D ảo:

4.1. Ứng dụng trong lĩnh vực địa chính, đăng ký đất đai, quản lý đô thị, thị trường bất động sản

Với các khu nhà chọc trời mọc lên ngày càng nhiều tại các đô thị lớn, các căn hộ trong các khu nhà cao tầng trở thành dạng bất động sản rất được quan tâm. Các vấn đề được quan tâm cho ứng dụng trong lĩnh vực này liên quan đến quan hệ topology giữa các đối tượng của bản đồ địa chính trong môi trường 3D thực, quá trình chuyển tiếp từ hệ thống địa chính 2D sang hệ thống địa chính 3D. Hiện tại, để thực hiện việc đăng ký đất đai 3D trong đó các bất động sản tại các khu nhà cao tầng đều được coi là khối, mỗi đỉnh của khối đều có tọa độ X, Y, Z. Trong một số hệ thống đơn giản hơn, mỗi tầng được thể hiện bằng một bản vẽ 2D, mỗi bất động sản được gắn với bản vẽ này ra và gán thêm thuộc tính của tầng. Ngoài ra vấn đề quản lý và luật đất đai gắn với các bất động sản 3D này còn tùy thuộc khá nhiều vào hệ thống luật đất đai và các kinh nghiệm phát triển từ các nước khác nhau [3]. Đối với hệ thống dữ liệu này, mô hình chi tiết nhà được gắn đầy đủ các thông tin địa chính bao gồm vị trí, hình dạng, kích thước, thông tin chủ sử dụng, nghĩa vụ tài chính, tình trạng giao dịch…

Việc ứng dụng các mô hình thành phố 3D như trên trong công tác quản lý đất đai sẽ giúp công tác quản lý nhà nước về đất đai, đô thị được hiệu quả, nhanh chóng chính xác và tiết kiệm nhân sự cũng như giảm đáng kể về chi phí quản lý. Ngoài ra, người dân cũng được hưởng rất nhiều lợi ích từ các ứng dụng này, họ hoàn toàn có thể thực hiện các việc đăng ký đất đai đối với nhà nước, giao dịch với các sàn kinh doanh bất động sản dựa trên mạng internet tại bất kỳ đâu. Đặc biệt hệ thống đảm bảo tính công khai, minh bạch giảm thiểu tối đa tình trạng ùn tắc hồ sơ và có thể loại bỏ tương đối lớn về các hình thức tiêu cực trong giải quyết hồ sơ đất đai đang gây ra rất nhiều phức tạp cho công tác quản lý nhà nước về đất đai.

Hàng loạt các nghiên cứu và thực nghiệm khác trên thế giới đã và đang tập trung vào việc chuyển đổi hệ thống địa chính 2D của mình sang 3D tuy nhiên việc này đòi hỏi các thay đổi đồng bộ về luật đất đai, về hệ thống đăng ký bất động sản, về phần mềm cho cơ sở dữ liệu, cho đồ họa, cho hiển thị và phân tích dữ liệu địa chính 3D.

4.2. Ngoài ra còn rất nhiều các ứng dụng rất hữu ích khác như liệt kê dưới đây:

Ứng dụng qui hoạch đô thị, xây dựng và cấp thoát nước.

Ứng dụng dẫn đường và du lịch, du lịch điện tử.

Ứng dụng trong lĩnh vực khảo cổ, bảo tồn và du lịch .

Ứng dụng trong giao thông vận tải.

Ứng dụng trong quản lý, đảm bảo an ninh đô thị.

Ứng dụng trong đối phó biến đổi khí hậu.

Ứng dụng trong lĩnh vực truyền thông, di động.

Ứng dụng trong lĩnh vực quản lý rủi ro, thảm họa.

Ứng dụng trong đánh giá tổn thương.

Ứng dụng cho dịch vụ hành chính công, chính phủ điện tử.

Ứng dụng cho các lĩnh vực khác…

 5. KẾT LUẬN

Nội dung trên đây đã trình bày các khái niệm cơ bản và kiến ​​trúc hệ thống của mô hình thành phố 3D ảo nói chung có thể dung cho hệ thống tương tác để quản lý, hợp nhất, trình bày, và phân phối thông tin địa đô thị phức tạp dựa trên một hệ thống thống nhất.

Là một thành phần thiết yếu trong cơ sở hạ tầng dữ liệu địa lý hiện đại, các mô hình thành phố 3D ảo hoàn toàn có thể phù hợp cho việc đáp ứng nhu cầu quản lý, cập nhật và khai thác sử dụng cho đa ngành, đặc biệt có khả năng đem lại hiệu quả lớn cho lĩnh vực địa chính 3D, dịch vụ hành chính công.

Với những hiệu quả to lớn như nêu trên, các thành phố nên có các nghiên cứu từng bước xây dựng và phát triển mô hình thành phố 3D ảo đáp ứng cho nhu cầu phát triển kinh tế xã hội nói chung và cho từng lĩnh vực cụ thể.

Tài liệu tham khảo

[1]. Anguelov, D. 2011. Google street view: Capturing the world at street level. IEEE
Computer Society.

[2]. 3D Geo (2006): LandXplorer Studio Software System, www.3dgeo.de.

Buchholz, H., Döllner, J. (2005a): Visual Data Mining in Large-Scale 3D City Models.

[3]. Anh, N. T. T. (2013): Bản đồ 3D từ dữ liệu Lidar cho các ứng dụng đô thị, Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học cấp bộ. Bộ Tài nguyên và Môi trường.

[4]Förstner, W. (1999): 3D City Models: Automatic and Semiautomatic Acquisition Methods.Proceedings Photogrammetric Week, University of Stuttgart, 291-303.

[5]. Đặng Thanh Tùng (2011): Thành lập mô hình 3D khu vực đô thị từ dữ liệu Lidar hàng không, Luận văn thạc sỹ đại học Khoa học tự nhiên.

[6].  Website:www.diadiem.com.

[7]. Jürgen Döllner, Thomas H. Kolbe, Falko Liecke, Takis Sgouros, Karin Teichmann (2006):The virtual 3D city model of Berlin-managing, intergrating and communicating complex urban information, International sumposium on urban data management UDMS 2006 in Aalborg, Denmak.