Ứng dụng GIS 3D trong quản lý hạ tầng đô thị tại Việt Nam

Hiện trạng về hạ tầng đô thị trên cả nước luôn biến động trong khi nhu cầu của các cấp lãnh đạo cũng như của người dân về một về một thành phố ngày càng văn minh hiện đại và trật tự đã đặt ra cho các cơ quan quản lý những trách nhiệm, khó khăn và nặng nề. Đặc biệt là trong việc quản lý cơ sở hạ tầng như: quản lý đất đai, giao thông đô thị, quy hoạch kiến trúc, các công trình ngầm về cấp nước cấp điện, viễn thông, ... đang có những đòi hỏi cấp bách về việc nâng cao năng lực quản lý nhằm phục vụ ngày càng tốt hơn cho người dân cũng như định hướng phát triển tương lai đối với kinh tế, văn hóa xã hội, an ninh quốc phòng trên địa bàn toàn tỉnh cũng như trên cả nước.

Để giải quyết những vấn đề trên, trong những năm qua, các nhà quản lý Việt Nam thay đổi hình thức quản lý hạ tầng đô thị truyền thống bằng hình thức mới đó là ứng dụng hệ thống thông tin địa lý GIS và được thể hiện bằng các phần mềm 2D như: Mapinfo, ArcGIS... Mặc dù hình thức quản lý mới này cũng đã đem lại hiệu quả cho nhà quản lý trong việc cung cấp thông tin theo các lớp dữ liệu từ cấu trúc địa chất, địa hình, thủy văn, cho đến các công việc cụ thể như xác định các công trình ngầm hiện có, các thông tin về diện tích, ranh giới tọa độ, thông tin về mật độ dân số.... Tuy nhiên, hình thức quản lý này vẫn không đủ các tính năng đáp ứng đối với tốc độ đô thị hóa cùng với sự bùng nổ của dân số và sự phát triển nhanh chóng về công sở, nhà ở, các khu công nghiệp, khu du lịch, hệ thống điện, nước… gây khó khăn trong việc quản lý tổng thể hạ tầng không gian đô thị như: Các đối tượng cùng một vị trí có thể chồng lên nhau, khó xác định các tòa nhà vượt quá chiều cao cho phép trong khu vực xây dựng nào đó, chỉ cung cấp được thông tin trên bề mặt đô thị còn các lớp đối tượng ngầm chỉ hiển thị tượng trưng chưa đúng với độ sâu thực. Bên cạnh đó, các đối tượng địa lý được biểu diễn trên các bản đồ 2D không trực quan và đòi hỏi người sử dụng phải có kiến thức chuyên môn về bản đồ. Ngoài ra, khả năng biểu diễn về kiến trúc và mối quan hệ tương quan giữa các đối tượng bị hạn chế rất nhiều, ảnh hưởng đến sự hỗ trợ ra quyết định đối với các cán bộ, lãnh đạo của các đơn vị và chưa đáp ứng được nhu cầu của người dân trong việc tương tác, tìm kiếm dữ liệu hệ thống công trình ngầm, thông tin quy hoạch liên quan đến chiều cao công trình,... đối với cơ sở hạ tầng đô thị còn rất hạn chế.

Do đó, nhiều phần mềm quản lý đô thị được nghiên cứu để thay thế GIS 2D. Một trong những phần mềm được các nước phát triển trên thế giới ứng dụng rộng rãi và thành công trong việc quản lý hạ tầng đô thị đó là công nghệ GIS 3D.

GIS 3D có thể tổng hợp toàn diện hiện trạng hạ tầng đô thị từ thu thập, xử lý, quản lý, phân tích và hiển thị dữ liệu không gian và phi không gian trên cùng một môi trường giúp các nhà quản lý dễ dàng tạo một mô hình GIS 3D tự động phục vụ công tác quản lý và quy hoạch đô thị hiệu quả. Việc ứng dụng GIS 3D City trong quản lý và phát triển đô thị Việt Nam là giải pháp tối ưu và phù hợp với xu thế hội nhập có thể giải quyết được các vấn đề còn tồn tại hiện nay trong công tác quản lý hạ tầng đô thị.

Mặt khác, trong giai đoạn hiện nay, trong nước và trên thế giới đang đẩy mạnh công tác nghiên cứu xây dựng các thành phố thông minh (Smart City) mà trong đó CSDL hạ tầng không gian đô thị GIS 3D là không thể thiếu. CSDL hạ tầng không gian đô thị GIS 3D đóng vai trò là một hợp phần quan trọng, là không gian nền địa lý 3D để tích hợp toàn bộ các thông tin khác (thông tin không gian nền, thông tin chuyên đề) tạo nên một tổng thể hoàn chỉnh của thành phố thông minh. CSDL hạ tầng không gian đô thị GIS 3D là một sản phẩm ứng dụng không thể thiếu cho cả ngành Quốc phòng – An ninh và Kinh tế - xã hội.

---

1. NỘI DUNG CSDL HẠ TẦNG KHÔNG GIAN ĐÔ THỊ GIS 3D

Hạ tầng không gian đô thị GIS 3D – là cơ sở dữ liệu hệ thông tin địa lý của đô thị trong đó quản lý tất cả các đối tượng địa lý tạo nên không gian đô thị.

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, 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 CSDL hạ tầng không gian đô thị.

Ở phạm vi bài báo, tác giả xây dựng danh mục đối tượng cơ bản nhất, cần thiết nhất phục vụ quản lý đô thị. Danh mục lớp dữ liệu hạ tầng không gian đô thị GIS 3D được đề xuất gồm (Bảng 1).

Bảng 1 – Danh mục lớp dữ liệu hạ tầng không gian đô thị GIS 3D

Khung CSDL gồm các nhóm lớp: Địa hình, Giao thông, Công trình xây dựng, Công trình hầm, Công trình cầu, Nước mặt, Thực vật.

Hình 1: Lược đồ cấu trúc logic của CSDL hạ tầng không gian đô thị GIS 3D

---

II. NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP QUẢN LÝ, XÂY DỰNG CSDL HẠ TẦNG KHÔNG GIAN ĐÔ THỊ GIS 3D

2.1. Lựa chọn phần mềm

a. Phần mềm quản lý CSDL

Hiện nay trên thế giới cũng như trong nước hầu hết đang dùng các Hệ quản trị CSDL để lưu trữ và quản lý các loại CSDL. Đây là các giải pháp công nghệ giúp người dùng tối ưu hóa quy trình lưu trữ, quản lý dữ liệu. Tuy nhiên, tùy vào mục đích sử dụng cần phải chọn lựa công nghệ cho phù hợp nhất.

Để lựa chọn Hệ quản trị CSDL nhóm thực hiện đề tài đã tiến hành phân tích một số Hệ quản trị CSDL:

• Hệ quản trị CSDL Oracle:
  • Hệ quản trị cơ dữ liệu được đánh giá mạnh nhất trên thị trường hiện nay.
  • Hệ quản trị cơ dữ liệu quan hệ (RDBMS). Khả năng lưu trữ cực lớn với tốc độ truy xuất dữ liệu được tối ưu.
  • Bảo mật cao (Public Key Infrastructure, Viture Private Database, Data Encrytion, hỗ trợ LDAP).
  • Hỗ trợ các môi trường phát triển C, C++, Java, Cobol, Ps/Sql, Visual Basic.
  • Hỗ trợ Data Mining.
  • Hỗ trợ các Case Tools.
  • Khả năng lưu trữ dữ liệu không gian trong DBMS với Spatial Catridge (Nomalize Geometry Schema).
• Hệ quản trị CSDL Microsoft SQL Server: với phiên bản mới nhất hiện nay có các đặc tính kỹ thuật khái quát như sau:
  • Hệ quản trị cơ sở dữ liệu quan hệ (RDBMS).
  • Kiến trúc Client/Server.
  • Lưu trữ đến Terabyte.
  • Không có cơ chế lưu trữ đặc biệt cho dữ liệu không gian (Binary Geometry Scheme, hoặc Nomalize Geometry Schema). Được hỗ trợ tối đa bởi môi trường phát triển của Microsoft (Visual Basic,Visual C ++, ADO, RDO, ODBC...).
  • Tính bảo mật tương đối cao.
• Hệ quản trị CSD MySQL: Sản phẩm của Thụy Điển
  • Hệ quản trị cơ sở dữ liệu quan hệ (RDBMS).
  • Hỗ trợ các môi trường phát triển C, C++, Eiffel, Java, Perl, PHP, Python, Ruby, Tcl.
  • Nhiều cơ chế lưu trữ chọn lựa theo nhu cầu người sử dụng.
  • Hệ thống mật khẩu rất linh động và an toàn. Mật khẩu được bảo vệ với cơ cấu mã hóa mật khẩu trong lưu thông khi kết nối với máy chủ.
  • Xử lý cơ sở dữ liệu tương đối lớn cho phép làm việc với cơ sở dữ liệu chứa đến 50 triệu mẫu tin.
• Hệ quản trị CSDL PostgreSQL:
  • Hệ quản trị CSDL: Sử dụng postgres. Là ORDBMS (Object-Relational Database Management System) hệ quản trị cơ sở dữ liệu quan hệ hỗ trợ hướng đối tượng. PostgreSQL phát triển trên Postgres phiên bản 4.2 của ngành máy tính trường đại học Berkeley Mỹ.
  • Đầy đủ chức năng của Database Server (Procedure, Trigger, Rule, Transaction, Security).
  • Hỗ trợ ngôn ngữ thủ tục (procedure language).
  • Hỗ trợ tốt Geographical Data.
  • Chạy tốt trên LINUX, UNIX, Windows.
  • Đa xử lý (multiprocessing).
  • Hỗ trợ quản trị CSDL GIS theo mô hình quan hệ.

Đánh giá và lựa chọn các hệ quản trị cơ sở dữ liệu

Kết quả đánh giá các hệ quản trị cơ sở dữ liệu trên cơ sở các yêu cầu đặt ra được tổng kết trong bảng bên dưới. Kết quả này có được trên cơ sở xem xét so sánh các đặc tính đưa ra bởi các công ty sản xuất phần mềm và ý kiến chuyên gia:

Bảng 2 – So sánh các đặc tính của các Hệ quản trị CSDL

Căn cứ vào kết quả đánh giá tại bảng trên có thể lựa chọn hệ quản trị CSDL PostgreSQL.

b. Phần mềm nhập/ xuất CSDL.

Để nhập CSDL hạ tầng không gian đô thị GIS 3D và Hệ quản trị CSDL cũng như xuất ra các định dạng để sử dụng cần phải có phần mềm. Đối với chuẩn CSDL 3D CityGML trên thế giới hiện đang sử dụng giải pháp phần mềm miễn phí 3DCity database Importer/Exporter. Đây là giải pháp phần mềm được xây dựng nhóm nghiên cứu thuộc trường Đại học Tổng hợp Berlin.

c. Phần mềm xây dựng CSDL GIS 3D

Dùng công cụ Notepad để lập trình xây dựng CSDL hạ tầng không gian đô thị GIS 3D định dạng CityGML.

d. Phần mềm hiển thị CSDL GIS 3D

Hiện nay trên thế giới có nhiều công cụ có thể hiển thị được CSDL định dạng CityGML như FME, Google Earth, CityEngine,…Tác giả lựa chọn phần mềm CityEngine để hiển thị, trình bày CSDL GIS 3D vì đây là giải pháp phần mềm được phát triển bởi hãng Esri, cho phép sử dụng các định dạng chuẩn của Esri, thuận lợi trong quá trình biên tập.

2.2. Xây dựng CSDL hạ tầng không gian đô thị GIS 3D

a. Phạm vi khu vực thử nghiệm

Khu vực thử nghiệm xây dựng CSDL hạ tầng không gian đô thị GIS 3D là phường Vĩnh Ninh, Thành phố Huế, tỉnh Thừa Thiên Huế với diện tích 1.48 Km2. Đây là khu vực đô thị có mật độ xây dựng cao, có gần như đầy đủ các đối tượng thuộc hạ tầng không gian đô thị đã thống kê ở mục 2.1 (Chương 2). Ban chủ nhiệm đề tài lựa chọn khu vực này làm khu vực nghiên cứu thử nghiệm do đã có một số các tài liệu có thể sử dụng được gồm: Dữ liệu bay chụp UAV độ phân giải 3,5 cm, dữ liệu CSDL GIS 2D, các tài liệu và thông tin các chuyên ngành giao thông, điện, nước, xây dựng… đã thu thập.

b. Khối lượng thử nghiệm

Để đánh giá quy trình công nghệ Ban chủ nhiệm đề tài lựa chọn 02 chủ đề dữ liệu để xây dựng là dữ liệu các đối tượng công trình xây dựng và công trình cầu.

c. Quy trình triển khai

Quá trình thử nghiệm áp dụng quy trình công nghệ sau:

Hình 2: Quy trình công nghệ xây dựng CSDL hạ tầng không gian đô thị GIS 3D

---

III. KẾT QUẢ

Đã xây dựng được CSDL hạ tầng không gian đô thị GIS 3D gồm 02 chủ đề: Công trình xây dựng và công trình cầu.

Hình 3: Bảng dữ liệu lớp đối tượng công trình cầu

• Đối với lớp đối tượng công trình xây dựng:
  • Hầu hết các đối tượng được xây dựng ở mức độ chi tiết LOD2 có cấu trúc mái và dán mặt đại diện.

Hình 4: Các đối tượng nhà được xây dựng ở LOD2

• Một số công trình được xây dựng ở LOD3 (các đối tượng trong khu vực Hoàng Thành Huế).

Hình 5: Đối tượng ngọ môn được xây dựng ở LOD3

Các đối tượng có các thông số thuộc tính rõ ràng có thể thay đổi trực tiếp trên phần mềm đối với từng đối tượng. Khi thay đổi thông số thuộc tính đối tượng thì hình ảnh hiển thị sẽ được cập nhật theo.

Hình 6: Đối tượng nhà trước và sau khi thay đổi thông số

Cơ sở dữ liệu hạ tầng không gian đô thị GIS 3D thử nghiệm tại Phường Vĩnh Ninh, thành phố Huế được xây dựng theo từng đối tượng có mức độ chi tiết cao, có thông tin định lượng cụ thể giúp dễ dàng cập nhật, thay đổi. Cơ sở dữ liệu được xây dựng được tận dụng từ nhiều nguồn tài liệu, tư liệu sẵn có giúp tối ưu hóa sản xuất.

---

IV. KẾT LUẬN

Hướng nghiên cứu xây dựng CSDL GIS 3D mà trong đó có thể quản lý dữ liệu theo từng đối tượng là hoàn toàn đúng đắn mà cả nước và thế giới đang hướng tới. Tác giả đã đề xuất được giải pháp toàn diện trong xây dựng, quản lý, sử dụng CSDL GIS 3D. Kết quả bài báo giúp các nhà nghiên cứu, các nhà quản lý và người dùng có định hướng và lựa chọn trong giải quyết bài toán xây dựng CSDL GIS 3D.

---

TÀI LIỆU THAM KHẢO

• 1. Nguyễn Văn Lộc, Đặng Thị Ngọc Lý, Nguyễn Thị Hoàng Yến (2012), "GIS 3D City giải pháp mới cho quản lý hạ tầng đô thị", Hội thảo ứng dụng GIS toàn quốc.
• 2. Nguyễn Văn Tuấn (2011), Ứng dụng GIS trong quản lý quy hoạch và xây dựng. Luận văn Thạc sĩ. Đại học Khoa học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội.
• 3. Phạm Trọng Mạnh (1996) “Quy hoạch đô thị với việc tiếp cận hệ thống thông tin địa lý (GIS) ở Việt Nam”. Luận án tiến sĩ kỹ thuật. Đại học Kiến trúc Hà Nội.
• 4. Döllner, J.; Kolbe, T.H.; Liecke, F.; Sgouros, T.; Teichmann, K. The virtual 3D city model of berlin-managing, integrating, and communicating complex urban information. In Proceedings of the 25th Urban Data Management Symposium UDMS, Aalborg, Denmark, 15–17 May 2006.
• 5. Baltsavias, E.P.; Pateraki, M.; Zhang, L. Radiometric and geometric evaluation of IKONOS geo images and their use for 3D building modeling. In Proceedings of the Joint ISPRS Workshop on High Resolution Mapping from Space 2001, Hannover, Germany, 19–21 September.
• 6. Brenner, C. Building reconstruction from images and laser scanning. Int. J. Appl. Earth Observ. Geoinf. 2005, 6, 187–198.
• 7. Haala, N.; Kada, M. An update on automatic 3D building reconstruction. ISPRS J. Photogram. Remote Sens. 2010, 65, 570–580.