Ứng dụng GIS xây dựng bản sao số phục vụ công tác quy hoạch xây dựng

ThS. Đỗ Công Chung; ThS. Nguyễn Văn Bằng

Công ty TNHH Esri Việt Nam

Tóm tắt

Bản sao kỹ thuật số (Digital Twin) là một bản sao ảo của thế giới thực bao gồm các đối tượng kết hợp thêm các quy trình, các mối quan hệ, các dữ liệu theo thời gian thực để mô phỏng lại các hoạt động. Bản sao kỹ thuật số đang trở nên ngày một phổ biến hơn trong các lĩnh vực kiến trúc, xây dựng và quy hoạch. Với quy mô thành phố các bản sao kỹ thuật số sử dụng công nghệ nền tảng GIS (2D, 3D, 4D) đang dần trở thành một xu hướng công nghệ mới phục vụ cho công tác quy hoạch, giám sát hoạt động đô thị. Bài viết này chia sẻ về vai trò của GIS cùng với những ứng dụng mà bản sao kỹ thuật số đem lại cho công tác quy hoạch xây dựng.

A digital twin is a virtual representation of the real world, including physical objects, processes, relationships, and real-time data. Digital Twin are becoming more popular in the achitecture, engineering, construction and planning. With the city scale, digital twin using GIS platform technology (2D, 3D, 4D) are gradually becoming a new trend for urban planning and monitoring. This article shares about the role of GIS and the applications that digital twins bring to construction planning.

Đặt vấn đề

Trong những năm gần đây, cuộc cách mạng công nghệp 4.0 với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ đã đem đến những bước chuyển mình nhanh chóng trong nhiều lĩnh vực, đem lại hiệu quả to lớn trong đời sống xã hội. Sự phát triển nhanh chóng của công nghệ GIS (hệ thống thông tin địa lý), mô hình hóa thông tin tòa nhà (BIM) và công nghệ thu thập dữ liệu 3D đã thúc đẩy quá trình hình thành các bản sao kỹ thuật số gọi tắt là bản sao số (cách gọi khác là mô hình song sinh) để mô phỏng các tòa nhà đơn lẻ, toàn bộ khu đô thị hay cả thành phố lớn. Các bản sao số là các mô phỏng của thế giới thực bao gồm các đối tượng vật lý, quy trình, mối quan hệ và hành vi.

Ngày nay, các nhà phát triển công nghệ, các nhà khoa học đang nỗ lực cố gắng để mô phỏng một cách chân thực nhất các thành phố, đô thị trên các hệ thống phần mềm. Với một bản sao số của thành phố thật (SimCity), công nghệ digital twins (bản sao kỹ thuật số) giúp các nhà hoạch định chính sách tạo ra các mô hình ảo, mô phỏng các chính sách hay các dự án cơ sở hạ tầng mới, xem trước các tác động của nó trước khi đưa ra quyết định trong thế giới thực [3]. Đây có thể là một yếu tố thay đổi cuộc chơi tiềm năng cho quy hoạch đô thị. Với riêng lĩnh vực GIS, các công nghệ liên quan tới 3D GIS (Hệ thống Thông tin Địa lý ba chiều) được nghiên cứu, xây dựng và phát triển để quản lý các đối tượng trong không gian ba chiều với ưu thế tạo ra các bản sao số sinh động trực quan nhất, chia sẻ thông tin dễ dàng và nhanh chóng, cùng với việc khai thác dữ liệu đa chiều, đem lại nhiều kết quả tích cực trong nhiều mặt của đời sống.

Công nghệ 3D ứng dụng GIS cho phép tạo ra các mô hình không gian ba chiều của các đối tượng trong một khu vực bất kỳ và kết hợp chúng với các thông tin động để xây dựng mô phỏng chính xác nhất sự chuyển động của thế giới thực trong mô hình số. 3D GIS sử dụng các công nghệ đồ họa máy tính để tạo ra một mô hình không gian ba chiều với độ chính xác cao, bao gồm cả các yếu tố địa lý như địa hình, tòa nhà, đường phố, cây cối, hệ thống giao thông...

GIS đã được sử dụng để mô hình hóa các hệ thống trong thế giới thực với độ chính xác cao như hệ thống mạng lưới điện, nước, mạng lưới viễn thông. Áp dụng khái niệm bản sao kỹ thuật số cho đô thị là quá trình kế thừa những công nghệ GIS truyền thống trong việc tích hợp, liên kết mô hình dữ liệu không gian với những trải nghiệm người dùng tương tác trên mô hình 3D và 4D có độ phân giải cao của thành phố, bên cạnh đó yếu tố dữ liệu thời gian thực từ các thiết bị cảm biến là một sự bổ sung quan trọng làm tăng khả năng đo lường và giám sát các hoạt động của một thành phố thông qua bản sao số. Từ những bản sao số thành phố, các nhà hoạch định chính sách, các kiến trúc sư sẽ có một môi trường dữ liệu và những công cụ hoàn toàn mới để xác định, đánh giá hiện trạng đô thị và đề xuất những định hướng quy hoạch trong tương lai.

Làm thế nào để từng bước ứng dụng công nghệ GIS xây dựng bản sao số phục vụ công tác quy hoạch và quản lý đô thị trong thực tiễn là một vấn đề cần phải được phân tích và đánh giá một cách toàn diện.

Thực trạng thế giới và trong nước

Thế giới

Thành phố Incheon (Hàn Quốc) xây dựng thành phố thông minh bằng cách sử dụng bản sao kỹ thuật số nơi các cán bộ quản lý, người dân có thể cùng tương tác vào thành phố ảo để cùng giải quyết các thách thức.

Dự án Đường sắt Long Island ứng dụng bản sao kỹ thuật số cho phép các nhóm trực quan hóa tiến độ dự án và thậm chí chạy các kịch bản công việc trong tương lai để khám phá tác động của những thay đổi về tiến độ dự án và ngân sách.

Sân bay quốc tế Hartsfield-Jackson Atlanta đã xây dựng một bản sao kỹ thuật số bằng cách sử dụng dữ liệu 3D GIS, BIM, CAD và thông tin về môi trường xung quanh để cung cấp dữ liệu bố trí thiết bị, phân tích nguy cơ và quản lý không gian.

Trong nước

Ngày 09 tháng 01 năm 2020 Thủ tướng Chính phủ phê duyệt Đề án 40/QĐ-TTCP về Xây dựng, hoàn thiện cơ sở dữ liệu nền địa lý quốc gia, trong đó có sản phẩm là bản đồ không gian 3 chiều (3D) của 18 thành phố trọng điểm phục vụ công tác cứu hộ, cứu nạn, các tình huống khẩn cấp, quy hoạch phát triển đô thị, xây dựng thành phố thông minh đảm bảo quốc phòng - an ninh. 

Một số địa phương cũng triển khai các dự án thí điểm Ứng dụng GIS 3D và các mô hình thành phố 3D trong công tác quản lý đô thị và các hoạt động xây dựng: Bình Dương, Đà Nẵng, Huế… Đây là những tiền đề dữ liệu để xây dựng các bản sao kỹ thuật số đô thị.

Vai trò của GIS trong xây dựng bản sao số phục vụ quy hoạch đô thị

Ứng dụng bản sao số ban đầu xuất phát từ những quy mô nhỏ như chi tiết máy, các thiết bị, đến quy mô lớn hơn như tổng thể tòa nhà (BIM) và phạm vi rộng hơn nữa là bản sao số mô phỏng các đô thị, thành phố. Đối với quy mô bản sao số đô thị, vai trò của GIS đặc biệt quan trọng và nổi bật. GIS (2D, 3D, 4D) được sử dụng để tái hiện lại dữ liệu không gian mô phỏng bề mặt trái đất một cách chân thực, đó có thể là dữ liệu về đất đai, hạ tầng kỹ thuật điện nước, giao thông, thời tiết… Không chỉ là công nghệ cung cấp khả năng hiển thị trực quan với các dữ liệu trong bản sao số thành phố, GIS còn đóng vai trò cung cấp các công cụ phân tích đa dạng và phức tạp với các mô hình dữ liệu khác nhau.

Dữ liệu GIS sử dụng trong bản sao số thành phố có khả năng mô phỏng một số môi trường trong thế giới thực như tác động của gió, ánh sáng mặt trời, ngập lụt, tình trạng giao thông.

Công nghệ 3D GIS trong bản sao số đóng vai trò quan trọng trong quy hoạch đô thị bởi nó cung cấp cho người quản lý đô thị và nhà quy hoạch một cái nhìn rõ ràng hơn về các yếu tố không gian, hình dạng, vị trí và các tương tác giữa các phần tử khác nhau trong phối cảnh chung đô thị.

Quy trình cơ bản ứng dụng GIS xây dựng bản sao số đô thị

Khảo sát, chuẩn hóa và tích hợp dữ liệu

Để hình thành một bản sao số thành phố thì bước đầu cần xây dựng dữ liệu không gian thành phố trên nền tảng công nghệ 3D GIS. Dữ liệu đầu vào phục vụ xây dựng bản sao số của một thành phố là rất đa dạng về chủng loại với nhiều định dạng khác nhau như CAD, BIM, ảnh UAV, GML…

Một trong những công nghệ phổ biến hiện nay để thu thập dữ liệu nguồn phục vụ biên tập xử lý ra dữ liệu 3D là các dữ liệu ảnh chụp từ máy bay không người lái (UAV), ảnh vệ tinh, dữ liệu quét Lidar, những dữ liệu này được lựa chọn tùy thuộc vào mức độ chi tiết, phạm vi triển khai cũng như tần xuất xử lý dữ liệu 3D. Trong đó, phổ biến nhất hiện nay là dữ liệu ảnh chụp từ máy bay không người lái (UAV) với độ phân giải cao, độ chính xác về mặt bằng và chiều cao được nâng cao nhờ kết hợp thêm các yếu tố định vị mặt đất sử dụng công nghệ RTK (Real Time Kinematic).

Công nghệ mô hình thông tin công trình (BIM) trong thiết kế giám sát xây dựng cũng đang dần được áp dụng rộng rãi hơn trong những năm gần đây giúp cung cấp một nguồn dữ liệu đầu vào quan trọng hình thành nên bản sao số. Dữ liệu BIM khi được thiết kế đầy đủ sẽ cung cấp một cách hết sức chi tiết mô hình 3D mặt ngoài, các cấu kiện chi tiết bên trong của các đối tượng (tòa nhà, cầu, trạm điện…) đồng thời cung cấp các thông tin thêm như kết cấu, mục đích sử dụng, chất liệu…

Toàn bộ dữ liệu đầu vào cần phải được xử lý về đúng hệ tọa độ chuẩn của Quốc gia để đảm bảo việc chồng khớp với các loại dữ liệu nền tham chiếu khác.

Các dữ liệu đầu vào từ nhiều định dạng cũng cần phải có một nền tảng dùng chung đảm bảo việc tích hợp, xử lý, phân tích và hiển thị, thông thường là nền tảng GIS.

Tích hợp và hiển thị dữ liệu theo thời gian thực

Khác với những ứng dụng 3D truyền thống, bản sao số thành phố còn cần được bổ sung các yếu tố dữ liệu thời gian thực như dữ liệu từ các thiết bị cảm biến IOT được lắp đặt ở khắp thành phố. Nhờ khả năng kết nối và hiển thị đa dạng các loại dữ liệu, GIS lúc này đóng vai trò là nền tảng tích hợp và hiển thị trên bản sao kỹ thuật số.

Dữ liệu thời gian thực giám sát nhiệt độ, thời tiết, chất lượng không khí, tình trạng cấp thoát nước.

Dữ liệu mật độ giao thông từ các thiết bị đo đếm mật độ giao thông (qua camera AI), từ các cảm biến GPS trên xe.

Dữ liệu thời gian thực do người dân gửi các báo cáo về.

Tất cả những nguồn dữ liệu đầu vào này không chỉ được hiển thị theo thời gian thực mà còn được lưu trữ lại lịch sử, bởi đây đều là những nguồn tư liệu quan trọng trong công tác nghiên cứu quy hoạch xây dựng, cung cấp những thông tin cần thiết về hiện trạng của thành phố.

Bên cạnh việc tích hợp dữ liệu, các công nghệ hiển thị tiên tiến trên các phần mềm hiện nay cho phép hiển thị một cách sinh động những dữ liệu 3D, dữ liệu thời gian thực (realtime). Sự kết hợp ngày càng chặt chẽ giữa công nghệ GIS, công nghệ phát triển Game Engine, công nghệ thực tế ảo (AR/VR) cũng góp phần đem lại những góc nhìn toàn diện và rõ ràng về các thông tin dữ liệu mà bản sao số cung cấp cho người dùng.

Phân tích và dự báo

Mỗi bản sao kỹ thuật số không chỉ phục vụ cho mục đích hiển thị dữ liệu trực quan mà còn cần phải có các công cụ phục vụ quá trình phân tích, dự báo. Đối với bản sao kỹ thuật số đô thị có thể kể đến một số phân tích dự báo cơ bản dưới đây.

Thứ nhất là các phân tích phục vụ công tác quy hoạch xây dựng thông qua việc mô phỏng phân tích tác động của môi trường, cảnh quan xung quanh. Thực tế đây là một trong những yếu tố hết sức quan trọng nhưng lại thiếu các công cụ để định lượng hóa trong các dự án quy hoạch. Việc phân tích các yếu tố như sự che khuất tầm nhìn, yếu tố ánh sáng trong ngày, phạm vi nhìn với cảnh vật… là những yếu tố mà một bản sao số đô thị có thể đem lại thông qua các công cụ phân tích trực quan. Mấu chốt của các phân tích này thường là việc lựa chọn các điểm quan sát được xác định bởi các kiến trúc sư, các nhà quy hoạch, sau đó không gian bao gồm địa hình và các tòa nhà trong bản sao số sẽ được tính toán dựa trên các công cụ phân tích GIS.

Thứ hai là các yếu tố thể hiện giả lập thời tiết như mưa, nắng, gió cũng góp phần quan trọng trong các phân tích đánh giá cảnh quan trong quy hoạch. Một số công cụ phân tích GIS sẽ giúp chúng ta định lượng được tiềm năng của năng lượng mặt trời tại các khu vực được quy hoạch.

Thứ ba việc tích hợp thêm các thông số nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió thông qua các cảm biến sensor, các dữ liệu về mật độ giao thông, dữ liệu về tốc độ sụt lún… Dữ liệu này cần được lưu trữ theo cả chiều không gian và thời gian, từ đó xây dựng nên một bộ cơ sở dữ liệu lớn cho các quá trình phân tích dự báo tác động của các phương án quy hoạch.

Chia sẻ và cộng tác

Môi trường GIS cho phép bản sao số đô thị có những phương thức kết nối chia sẻ thông tin giữa cơ quan quản lý quy hoạch và người dân hết sức trực quan, thuận tiện. Thông tin do đó được chia sẻ để mọi người có thể truy cập sử dụng các đa nền tảng (web, thiết bị di động). Bên cạnh đó bản sao số đô thị cần phải có cơ chế chia sẻ tài nguyên dưới các định dạng chuẩn cho phép các phòng ban trong đơn vị có thể cùng phối hợp sử dụng hoặc đóng góp cho dữ liệu chung.

Ứng dụng bản sao số trong quy hoạch

Bản sao số có thể được ứng dụng ngay từ khi thực hiện hoạt động khảo sát cho tới việc lập quy hoạch và giám sát, đối chiếu hiện trạng với quy hoạch được phê duyệt. Thông qua việc mô phỏng các phương án quy hoạch khác nhau, việc tích hợp các phương án quy hoạch lên bản sao số của thành phố có thể hỗ trợ phân tích và cung cấp cho các nhà quản lý các kết quả định lượng để việc lựa chọn mang tính khách quan hơn, tránh được những rủi ro về hiệu quả của quy hoạch trong tương lai.

• Trình diễn một cách trực quan các phương án quy hoạch sử dụng 3D kết hợp với AR/VR

Công nghệ 3D GIS cho phép người quản lý đô thị xây dựng mô hình 3D của đô thị và các yếu tố liên quan, bao gồm cả tòa nhà, đường phố, công viên, sông suối và các tài nguyên đất đai khác. Điều này giúp họ hiểu rõ hơn về đô thị, các vấn đề cần giải quyết và các cơ hội phát triển của đô thị ở hiện tại và tương lai.

• Phân tích và đánh giá các tùy chọn quy hoạch: Sử dụng các công cụ của 3D GIS, người lập quy hoạch có thể phân tích và đánh giá các kịch bản quy hoạch khác nhau, bao gồm cả hiệu ứng của các thay đổi về mật độ dân số, địa hình và cơ sở hạ tầng với từng kịch bản. Điều này giúp họ đưa ra quyết định quy hoạch tốt hơn và lựa chọn được kịch bản quy hoạch phù hợp.

• Tối ưu hóa quy hoạch và xây dựng đô thị bền vững: Sử dụng 3D GIS, người xây dựng quy hoạch có thể tối ưu hóa các quyết định quy hoạch bằng cách phân tích các yếu tố không gian khác nhau như khoảng cách, mật độ, khối lượng xây dựng và vị trí. Điều này giúp tạo ra các khu vực đô thị thông minh, tiết kiệm chi phí và tăng cường chất lượng đô thị, góp phần xây dựng và phát triển đô thị bền vững.

• Chia sẻ thông tin phương án quy hoạch với người dân một cách trực quan và dễ dàng, tạo điều kiện cho người dân đóng góp ý kiến nhiều hơn cho các phương án quy hoạch.

Ứng dụng bản sao số trong công tác quản lý và giám sát đô thị

Quản lý hạ tầng thông minh: Bản sao số hạ tầng cung cấp khả năng quản lý các thông tin về hạ tầng, giúp cho các nhà quản lý đô thị có thể đánh giá tình trạng hư hỏng của các công trình, theo dõi quá trình sửa chữa và bảo trì hạ tầng. Các nhà quản lý có thể nắm rõ vị trí hư hỏng, sử dụng dữ liệu lịch sử được tích hợp lên bản sao số để đánh giá nguy cơ hư hỏng, từ đó đề xuất kịp thời các phương án thay thế sửa chữa. Điều này giúp cho việc quản lý hạ tầng trở nên dễ dàng, hiệu quả và tiết kiệm chi phí hơn.

Quản lý môi trường: Bản sao số đô thị cung cấp khả năng quản lý các yếu tố môi trường trong đô thị như khí thải, nước thải, tiếng ồn, ô nhiễm không khí, giúp cho các nhà quản lý đô thị có thể đưa ra các giải pháp quản lý môi trường hiệu quả hơn.

Giám sát công trình: Bản sao số đô thị cung cấp khả năng giám sát thông tin công trình từ giai đoạn thiết kế cho đến vận hành. Một số trường hợp bản sao kỹ thuật số còn hỗ trợ công tác đảm bảo an toàn cho các công trình lân cận thông qua việc gắn và tích hợp các dữ liệu từ các cảm biến nhiệt độ, cảm biến rung lắc, cảm biến áp suất…

Giám sát đô thị: Bản sao số giúp tạo ra các mô hình không gian chân thực của khu vực đô thị, cung cấp cho người quản lý đô thị khả năng giám sát tình trạng phát triển của các công trình, hạ tầng, cũng như tình hình sử dụng đất. Nhờ đó, các nhà quản lý đô thị có thể phát hiện sớm các vấn đề, đưa ra những giải pháp và kế hoạch phát triển đô thị phù hợp với tình hình thực tế.

Tương lai của bản sao số

Dù mới chỉ được nhắc đến rộng rãi trong những năm gần đây nhưng những tiện ích mà bản sao số đem lại trong nhiều lĩnh vực đang ngày một được chứng minh một cách rõ ràng hơn. Nhiều công ty công nghệ hàng đầu thế giới đang có những bước đầu tư mạnh mẽ vào xây dựng vũ trụ ảo mà trong đó những bản sao số đô thị (đô thị song sinh) là một phần hết sức quan trọng. Những công ty phần mềm GIS hàng đầu thế giới cũng tập trung vào việc tích hợp dữ liệu BIM, dữ liệu tòa nhà thông minh, dữ liệu IOT cũng như công nghệ máy học để đưa ra những bản sao số đô thị (hay đô thị song sinh) ngày một gần hơn với công tác vận hành một đô thị trên thực tế. 

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. Jim Baumann (2017). Planning the City of Tomorrow in 3D. ArcUser 2017.

[2]. Chris Andrews (2021). ArcGIS: A Foundation for Digital Twins. ArcUser 2021.

[3]. Giang Phạm (2020) (theo Bloomberg). Công nghệ Digital Twins sẽ thay đổi cách quản lý các thành phố trong tương lai. Trang tin tức Bộ Thông tin và Truyền thông.

[4]. Lê Việt Hưng (2022). Digital Twins (Cặp song sinh số): Chiếc cầu nối giữa thế giới thực và không gian số. Trang tin điện tử Cục chuyển đổi số Quốc gia.

[5]. Lê Thị Thu Hà, Phạm Thị Thanh Thủy (2020). Nghiên cứu xây dựng mô hình thành phố 3D với sự kết hợp của google sketchup và ArcGIS – thử nghiệm khu đô thị CIPUTRA, Hà Nội. Tạp chí Khoa học Tài nguyên và Môi trường số 30 năm 2020.