Luận văn Nghiên cứu xây dựng mô hình Thành phố ảo phục vụ công tác quy hoạch đô thị

Nội dung tài liệu: Luận văn Nghiên cứu xây dựng mô hình Thành phố ảo phục vụ công tác quy hoạch đô thị

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT MAI VĂN SỸ NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH THÀNH PHỐ ẢO PHỤC VỤ CÔNG TÁC QUY HOẠCH ĐÔ THỊ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội, 2019
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT MAI VĂN SỸ NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH THÀNH PHỐ ẢO PHỤC VỤ CÔNG TÁC QUY HOẠCH ĐÔ THỊ Ngành: Kỹ thuật Trắc địa – Bản đồ Mã số : 9 520503 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn Khoa học: PGS.TS Nguyễn Trường Xuân Hà Nội, 2019
3. i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu, kết quả trong luận án trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào. Tác giả luận án Mai Văn Sỹ
4. ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................... i MỤC LỤC ............................................................................................................. ii DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................. vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ............................................................................. vii MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ............................. 7 1.1. Tổng quan về công tác quy hoạch và quản lý đô thị ở nước ta...................... 7 1.1.1. Tổng quan về quy hoạch không gian, quy hoạch đô thị ............................. 7 1.1.2. Yêu cầu của quy hoạch đô thị ..................................................................... 9 1.1.3. Thực trạng công tác lập đồ án quy hoạch và quản lý đô thị ở nước ta ..... 12 1.2. Tổng quan về tình hình nghiên cứu ứng dụng mô hình 3D trong công tác quy hoạch và quản lý đô thị trên thế giới ............................................................ 15 1.3. Tổng quan về tình hình nghiên cứu ở Việt Nam .......................................... 24 1.4. Hướng nghiên cứu của đề tài luận án ........................................................... 26 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ KHOA HỌC XÂY DỰNG THÀNH PHỐ ẢO 3D PHỤC VỤ QUY HOẠCH VÀ QUẢN LÝ ĐÔ THỊ ...................................................... 29 2.1. Thành phố ảo 3D .......................................................................................... 29 2.2. Nội dung dữ liệu không gian của mô hình thành phố 3D ............................ 30 2.2.1. Nhóm dữ liệu nền địa lý 3D ...................................................................... 32 2.2.2. Nhóm dữ liệu địa vật trong không gian đô thị .......................................... 33 2.2.3. Tích hợp từ các nguồn dữ liệu khác .......................................................... 39 2.3. Nghiên cứu đề xuất cơ sở dữ liệu thành phố ảo 3D ..................................... 46 2.3.1. Khung tham chiếu không gian của dữ liệu ............................................... 47 2.3.2. Cấu trúc đồ họa đối tượng 3D ................................................................... 47 2.3.4. Đề xuất cấp độ chi tiết trong mô hình thành phố ảo 3D ........................... 56
5. iii 2.3.5. Đề xuất nội dung và cấu trúc dữ liệu ........................................................ 59 2.4. Đề xuất quy trình xây dựng thành phố ảo 3D phục vụ quy hoạch và quản lý đô thị .................................................................................................................... 72 2.4.1. Quy trình tổng quát ................................................................................... 72 2.4.2. Quy trình xây dựng bản đồ 3D từ ảnh viễn thám độ phân giải cao ............... 72 2.4.3. Đề xuất quy trình xây dựng mô hình thành phố ảo 3D phục vụ quy hoạch đô thị .................................................................................................................... 74 CHƯƠNG 3. THỰC NGHIỆM XÂY DỰNG MÔ HÌNH THÀNH PHỐ ẢO 3D KHU CÔNG NGHIỆP ĐÔ THỊ KIẾN THỤY, TP HẢI PHÒNG ..................... 79 3.1. Giới thiệu khu vực nghiên cứu ..................................................................... 79 3.2. Xây dựng mô hình thành phố ảo 3D khu thử nghiệm ................................. 82 3.2.1. Lựa chọn phần mềm .................................................................................. 82 3.2.2. Công tác chuẩn bị dữ liệu để xây dựng mô hình 3D ................................. 85 3.2.3. Xây dựng mô hình thành phố ảo 3D ......................................................... 88 3.3. Tích hợp phương án quy hoạch .................................................................... 90 3.3.1. Số hóa phương án ...................................................................................... 90 3.3.2. Chuẩn hóa dữ liệu không gian 3D phương án quy hoạch ......................... 91 3.3.3. Tích hợp phương án quy hoạch lên mô hình thành phố ảo 3D ................. 96 3.4. Xây dựng một số “công cụ” phần mềm hỗ trợ ........................................... 101 3.5. Giới thiệu một số kết quả ứng dụng mô hình thành phố ảo 3D khu thực nghiệm ............................................................................................................... 115 3.5.1. Trình diễn các góc nhìn mô hình ............................................................ 115 3.5.2. Phân tích và Mô phỏng ........................................................................... 116 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................... 122 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ ................. 125 ĐÃ CÔNG BỘ CÓ LIÊN QUAN TỚI LUẬN ÁN .......................................... 125 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 126
6. iv LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện luận án, NCS đã nhận được sự giúp đỡ tận tình của các thầy hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Trường Xuân cũng các cán bộ, giảng viên thuộc Bộ môn Đo ảnh và Viễn thám, Bộ môn Bản đồ, khoa Trăc địa (Trường đại học Mỏ - Địa chất). NCS còn nhận được những ý kiến trao đổi thẳng thắn về chuyên môn cũng như sự hỗ trợ về tài liệu tham khảo của các nhà khoa học trong và ngoài nước, các cơ quan quản lý nhà nước thành phố Hải Phòng. NCS xin chân thành cảm ơn những sự giúp đỡ quý báu này. NCS xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Mỏ - Địa chất đã tạo mọi điều kiện để NCS có thể hoàn thành bản luận án. NCS cũng xin chân thành cảm ơn sự động viên, khích lệ của gia đình và bạn bè trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện luận án này. Hà Nội, tháng 3 năm 2019 NCS. Mai Văn Sỹ
7. v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 2D 2-Dimension – Hai chiều 3D 3-Dimension – Ba chiều 3DCM 3D cartographic model – Mô hình bản đồ 3D BIM Building Information Modeling CSDL Cơ sở dữ liệu CGS Computer Graphics Science - Khoa học máy tinh CityGML City Geography Mark-up language GML Geography Markup Language - Ngôn ngữ đánh dấu địa lý DCM Digital Catorghaphic Model – Mô hình số bản đồ DEM Digital Elevation Model - Mô hình số độ cao DTM Digital Terrain Model – Mô hình số địa hình DLM Digital Lanscape Model – Mô hình số cảnh quan GIS Geographic Information System – Hệ thông tin địa lý GPS Global Positioning System – Hệ thống định vị toàn cầu GeoVE Geovirtual environments – Môi trường địa lý ảo. LOD Level-of-detail LiDaR Light Detection And Ranging – Công nghệ LiDaR UAV Unmanned Air Vehicle – Máy bay không người lái IFC Industry Foundation Class QHKG Quy hoạch không gian QHPK Quy hoạch phân khu OGC Open Geospatial Consortium SDI Spatial Data Infrastructure - Hạ tầng dữ liệu không gian TIN Triangular Irregular Network – Mạng lưới tam giác không gian không đều
8. vi DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Quy định về độ chính xác về độ cao đối tượng 3D ............................ 62 Bảng 3.1: Cơ cấu sử dụng đất của đồ án thiết kế quy hoạch .............................. 81 Bảng 3.2: Các gói dữ liệu trong CSDL nền địa lý 1:2000 .................................. 87 Bảng 3.3: Tỷ lệ đất tối thiểu trồng cây xanh trong các lô đất xây dựng công trình ........................................................................................................................... 104 Bảng 3.4: Diện tích đất cây xanh sử dụng công cộng trong các đô thị ............. 105 Bảng 3.5: Tiêu chuẩn không gian trong thiết kế tương quan ............................ 111
9. vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Một góc mô hình 3D thành phố Boston .............................................. 19 Hình 1.2: Một góc mô hình 3D thành phố NewYork ......................................... 19 Hình 1.3: Mô hình 3D khu vực đài tưởng niệm Lincoln tại Washington ........... 20 Hình 1.4: Mô hình 3D khu vực tòa tháp 101 tầng, Đài Bắc, Đài Loan .............. 20 Hình 1.5: Mô hình 3D thành phố SongDo, Hàn Quốc ........................................ 21 Hình 1.6: Mô hình thành phố 3D của Berlin, Cộng hòa liên bang Đức ............. 22 Hình 2.1: Ba thành phần cơ bản khung nhìn mô hình thành phố ảo 3D ............. 30 Hình 2.2: Phương pháp tích hợp cho dữ liệu vector địa lý ................................. 39 Hình 2.3: Phương pháp Extrusion-based modeling được sử dụng để biểu diễn các sơ đồ tổng thể thông qua các mô hình khối và các cấu tạo bề mặt địa hình 41 Hình 2.4: Phương pháp tiếp cận mô hình 3D để tạo ra các biểu diễn quy hoạch như là mô hình 3D ............................................................................................... 42 Hình 2.5: Minh họa phương pháp mô hình hóa dựa trên CityGML ................... 43 Hình 2.6: Đối tượng trên mô hình thành phố 3D ................................................ 48 Hình 2.7: Mô tả dựng hình 3D từ 5 loại đối tượng cơ sở ................................... 49 Hình 2.8: Kiểu mô hình thành phố 3D của Shiode, dựa trên mức độ thực tế ..... 55 Hình 2.9: Kiểu mô hình thành phố 3D của Shiode, dựa trên các chức năng phân tích ....................................................................................................................... 55 Hình 2.10: Kiểu mô hình thành phố 3D của Batty ............................................. 56 Hình 2.11: Một số kiểu biến thể về mặt hình học của một mô hình 3D ở LoD1 57 Hình 2.12: Các cấp độ chi tiết (LoD) trong mô hình thành phố ảo 3D .............. 59 Hình 2.13: Lược đồ cấu trúc của mô hình CSDL thành phố ảo 3D.................... 63 Hình 2.14: Khung CSDL phương án quy hoạch. ................................................ 64 Hình 2.15: Lược đồ cấu trúc nhóm nội dung địa hình ........................................ 65 Hình 2.16: Lược đồ cấu trúc nhóm nội dung nhà và khối nhà ........................... 67
10. viii Hình 2.17: Khung CSDL nhóm nội mô hình ngầm ............................................ 68 Hình 2.18: Khung CSDL nhóm nội mô hình cầu ............................................... 68 Hình 2.19: Lược đồ cấu trúc nhóm nội dung mặt nước ...................................... 69 Hình 2.20: Lược đồ cấu trúc nhóm nội dung giao thông .................................... 70 Hình 2.21: Lược đồ cấu trúc nhóm nội dung thực vật ........................................ 71 Hình 2.22: Lược đồ cấu trúc nhóm nội dung sử dụng đất .................................. 71 Hình 2.23: Quy trình xử lý và thành lập mô hình 3D ......................................... 72 Hình 2.24: Quy trình xây dựng mô hình thành phố ảo 3D bằng ảnh viễn thám độ phân giải cao ........................................................................................................ 73 Hình 2.25: Mô hình thành phố ảo 3D được thành lập từ ảnh viễn thám độ phân giải cao ................................................................................................................ 73 Hình 2.26: Quy trình xây dựng Mô hình thành phố ảo 3D phục vụ quy hoạch và quản lý đô thị .................................................................................................. 75 Hình 3.1: Sơ đồ vị trí mối liên hệ vùng ............................................................... 79 Hình 3.2: Cấu trúc hoạt động của Skyline .......................................................... 83 Hình 3.3: Sơ đồ thiết kế lưới khống chế ảnh....................................................... 85 Hình 3.4: Bình đồ ảnh khu vực nghiên cứu được thành lập từ ảnh UAV .......... 86 Hình 3.5: Mô hình số bề mặt (DSM) .................................................................. 86 Hình 3.6: Bản đồ địa hình tỷ lệ 1:2000 ............................................................... 87 Hình 3.7: Cấu trúc cơ sở dữ liệu ......................................................................... 88 Hình 3.8: Kết quả mô phỏng địa hình ................................................................. 88 Hình 3.9: Phương án quy hoạch được số hóa trên phần mềm ArcGIS ............... 90 Hình 3.10: Thông tin lớp nhà cao tầng................................................................ 91 Hình 3.11: Mô hình mẫu cột đèn và đèn báo hiệu giao thông ............................ 94 Hình 3.12: Thiết kế mô hình đối tượng trên phần mềm SketchUp ..................... 94 Hình 3.13: Ký hiệu hạ tầng kỹ thuật ................................................................... 95 Hình 3.14:Thư viện ký hiệu cây độc lập/thảm thực vật ...................................... 95