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


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


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


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

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


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


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


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

Hình 3.25: Cơ sở dữ liệu mô hình 3DCM......................................................... 101
Hình 3.26: Giao diện chính phần mềm Mô hình thành phố ảo 3D ................... 102
Hình 3.27: Giao diện tiếng Việt, thân thiện với người dùng ............................ 102
Hình 3.28: Chức năng tính toán hệ số sử dụng đất đoạn code sau để tính toán hệ
số sử dụng đất:................................................................................................... 105
Hình 3.29: Thuộc tính đối tượng nhà và khối nhà ............................................ 107
Hình 3.30: Kiểm tra thiết kế tòa nhà đoạn code sau kiểm tra thiết kế tòa nhà: 109
Hình 3.31: Kiểm tra khoảng lùi của công trình đoạn code chức năng kiểm tra
khoảng lùi công trình: ....................................................................................... 112
Hình 3.32: Mô hình 3DCM phục vụ trình diễn và giới thiệu thành phố .......... 116
Hình 3.33: Bản đồ về kiểm soát chiều cao của trung tâm thành phố................ 117
Hình 3.34: Tìm kiếm các đối tượng theo khoảng cách ..................................... 118
Hình 3.35: Tìm kiếm các đối tượng theo khu vực ............................................ 118
Hình 3.36: Phân tích tầm nhìn........................................................................... 119
Hình 3.37: Bóng tòa nhà ................................................................................... 120
Hình 3.38: Mô hình khái quát của hệ thống ...................................................... 103


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Như chúng ta đã biết quy hoạch đô thị là tổ chức và xây dựng không gian
đô thị phục vụ các kế hoạch và chương trình phát triển đô thị của các cấp các
ngành. Quy hoạch đô thị được gọi là Quy hoạch xây dựng đô thị. Quy hoạch xây
dựng đô thị là một ngành khoa học kỹ thuật, xã hội, nhân văn, là nghệ thuật về
tổ chức không gian sống cho các đô thị và các khu vực đô thị. Nó là nghệ thuật
sắp xếp tổ chức các không gian chức năng, khống chế hình thái kiến trúc trong
đô thị trên cơ sở điều tra, dự báo, tính toán sự phát triển, đặc điểm, vai trò, nhu
cầu và nguồn lực của đô thị, nhằm cụ thể hóa chính sách phát triển, giảm thiểu

Cho đến nay ở nước ta, việc nghiên cứu và ứng dụng mô hình bản đồ 3D
biểu diễn bề mặt đất mới chỉ dừng ở việc mô phỏng địa hình, địa vật, dựng hình
và gán các thuộc tính đơn giản mà chưa xây dựng và quản lý cơ sở dữ liệu các
đối tượng đô thị theo mô hình 3D, chưa có khung chuẩn thống nhất cơ sở dữ liệu
không gian và thuộc tính của đối tượng 3D ... những vấn đề này sẽ làm cho việc
nghiên cứu ứng dụng mô hình 3D trong công tác quy hoạch đô thị ở nước ta
chưa tương ứng với ý nghĩa của nó và chưa đáp ứng được nhu cầu của thực tế.
Chính vì vậy, việc xây dựng mô hình thành phố ảo 3D dựa trên một CSDL 3D
thống nhất về nội dung, cấu trúc sẽ đảm bảo cho công tác quy hoạch và quản lý
đô thị tiến thêm một bước mới trong trên con đường xây dựng thành phố thông
minh (SmartCity) và ở đó mô hình thành phố ảo 3D được thiết lập như một phần
của cơ sở hạ tầng dữ liệu không gian địa lý.
Trên thế giới, việc ứng dụng các mô hình thành phố ảo 3D trong công tác
quy hoạch, thiết kế và quản lý đô thị, quản lý lãnh thổ đã và đang được nghiên
cứu và đã trở thành một phương pháp hiện đại.
Ở Việt Nam, một số nhà khoa học đã bắt đầu nghiên cứu áp dụng kỹ thuật
bản đồ số, GIS và công nghệ tin học… để xây dựng các mô hình 3D phục vụ


3

cho một vài lĩnh vực. Tuy nhiên do khối lượng công việc lớn, nhiều vấn đề kỹ
thuật còn vướng mắc và chuẩn dữ liệu 3D chưa được thống nhất nên đến nay
việc triển khai xây dựng các mô hình thành phố ảo 3D vẫn còn nhiều vấn đề cần
được nghiên cứu. Đặc biệt là việc nghiên cứu một cách có hệ thống và đưa ra cơ
sở khoa học và quy trình xây dựng các mô hình thành phố ảo 3D phục vụ công
tác quy hoạch và quản lý đô thị cần được triển khai.
Vì vậy, việc nghiên cứu cơ sở khoa học cũng như ứng dụng và phát triển
các kỹ thuật, các công cụ và các phương pháp phù hợp để xây dựng mô hình
thành phố ảo 3D phục vụ công tác quy hoạch và quản lý đô thị của đề tài luận án

theo nguồn gốc, chủng loại, thời gian, tác giả, ngôn ngữ…thành các loại tài liệu
chính, tài liệu tham khảo, tài liệu pháp lý, kế thừa có chọn lọc các kết quả đã
nghiên cứu.
Phương pháp mô hình hóa: Mô hình bản đồ, mô hình ảnh, mô hình cấu
trúc đối với dữ liệu số, biểu thị bản đồ số, biểu thị mô hình 3D tĩnh, động.….
Phương pháp GIS: phục vụ xây dựng cơ sở dữ liệu và phân tích không
gian địa lý.
Phương pháp tin học: Phục vụ phát triển các Modul ứng dụng.
Phương pháp thực nghiệm: Tiến hành thực nghiệm tại Khu đô thị công
nghiệp Kiến Thụy, thành phố Hải Phòng để chứng minh các kết quả nghiên cứu
của luận án.
Phương pháp chuyên gia: Thông qua hội thảo, góp ý, xin ý kiến các
chuyên gia, các nhà khoa học trong lĩnh vực quy hoạch đô thị, trong lĩnh vực
trắc địa bản đồ, lĩnh vực công nghệ thông tin.
7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Ý nghĩa khoa học:
- Luận án đã nghiên cứu và tổng hợp có hệ thống về cơ sở khoa học xây
dựng mô hình thành phố ảo 3D phục vụ công tác quy hoạch và quản lý đô thị.
Do đó, kết quả nghiên cứu của luận án sẽ góp phần làm sáng tỏ cơ sở khoa học


5

công nghệ thành phố ảo 3D và có ý nghĩa trong việc tạo tiền đề cho việc xây
dựng và phát triển mô hình dữ liệu thành phố thông minh SmartCity.
Ý nghĩa thực tiễn:
- Mô hình thành phố ảo 3D được xây dựng là các thông tin có giá trị cho
cho các nhà quy hoạch và quản lý dự án khu công nghiệp Kiến Thụy thành phố
Hải Phòng.
- Phương pháp và quy trình đã được nghiên cứu có thể phát triển áp dụng


7

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Tổng quan về công tác quy hoạch và quản lý đô thị ở nước ta
1.1.1. Tổng quan về quy hoạch không gian, quy hoạch đô thị
Quy hoạch không gian hay quy hoạch xây dựng là việc tổ chức và định
hướng không gian vùng, không gian đô thị và dân cư, hệ thống công trình hạ
tầng kỹ thuật, hạ tầng xã hội, tạo lập môi trường sống thích hợp cho người dân
sống tại các lãnh thổ đó, đảm bảo kết hợp hài hòa giữa lợi ích quốc gia và lợi ích
cộng đồng, đáp ứng được các mục tiêu phát triển kinh tế - xã hội, quốc phòng an ninh và bảo vệ môi trường [1].
Như vậy, quy hoạch không gian (QHKG) là một hoạt động nhằm tạo ra
một chuỗi có trật tự các hành động dẫn dắt tới việc thực hiện một hay nhiều mục
tiêu đã dự kiến. Các kỹ thuật chính của quy hoạch là các văn bản tường trình
được bổ sung theo nhu cầu những dự báo thống kê, những công thức toán,
những đánh giá số lượng và những biểu bảng minh họa cho các quan hệ giữa các
bộ phận khác nhau của dự án [2]. Nó có thể, nhưng không nhất thiết phải bao
gồm các bản vẽ không gian chính xác của các đối tượng.
Quy hoạch không gian là một phương thức quy hoạch mới, được áp dụng
hiệu quả ở các nước và nhiều thành phố trên thế giới trong nhiều năm qua.
Tương tự như các loại hình quy hoạch khác, QHKG luôn đi trước các hoạt động
phát triển và đóng vai trò hỗ trợ kiểm soát phát triển các đô thị và lãnh thổ.
Quy hoạch không gian và quản lý không gian đòi hỏi xác lập một cơ chế
phối hợp liên ngành, liên cơ quan, liên vùng trong quản lý và giải quyết đồng bộ
các quan hệ phát triển khác nhau, trong đó quan hệ giữa các mảng không gian và
tổ chức không gian hợp lý cho phát triển kinh tế bền vững là một trong những
nhiệm vụ quan trọng và cần đi trước một bước.




9

hoạch chi tiết đô thị nằm ở mức độ yêu cầu của nội dung nghiên cứu, cách thức
thể hiện (tỉ lệ bản đồ), thời gian quy hoạch, cấp phê duyệt của từng loại đồ án và
tính quan hệ, phụ thuộc giữa chúng (Quy hoạch chung/quy hoạch cấp trên; quy
hoạch phân khu, quy hoạch chi tiết/quy hoạch cấp dưới).
1.1.2. Yêu cầu của quy hoạch đô thị
1.1.2.1. Nội dung của quy hoạch đô thị
Nội dung đồ án quy hoạch đô thị bao gồm việc xác định chỉ tiêu về dân
số, hạ tầng xã hội, hạ tầng kỹ thuật và yêu cầu tổ chức không gian, kiến trúc cho
toàn khu vực quy hoạch; bố trí công trình hạ tầng xã hội phù hợp với nhu cầu sử
dụng; chỉ tiêu sử dụng đất và yêu cầu về kiến trúc công trình đối với từng lô đất;
bố trí mạng lưới các công trình hạ tầng kỹ thuật đến ranh giới lô đất [2]. Trong
nội dung thiết kế đô thị của đồ án quy hoạch đô thị bao gồm việc xác định các
công trình điểm nhấn trong khu vực quy hoạch theo các hướng tầm nhìn, tầng
cao xây dựng công trình cho từng lô đất và cho toàn khu vực; khoảng lùi của
công trình trên từng đường phố và ngã phố; xác định hình khối, màu sắc, hình
thức kiến trúc chủ đạo của các công trình kiến trúc; hệ thống cây xanh, mặt
nước, quảng trường. Chất lượng, phương pháp và biểu thị không gian đô thị trên
mô hình bản đồ có ý nghĩa to lớn trong nội dung của đồ án quy hoạch đô thị.
Đây là vấn đề có tính kỹ thuật cao với sự kết hợp giữa các nhà quy hoạch và các
nhà bản đồ, nhằm cung cấp cho cấp có thẩm quyền trong xét duyệt phương án
và đồng thời cho cho các cơ quan, tổ chức, cá nhân trong thực thi phương án quy
hoạch một cách hiệu quả nhất. Nội dung hồ sơ nhiệm vụ quy hoạch chung đô thị
đã được quy định tại Thông tư 12/2016/TT-BXD ngày 29/06/2016 bao gồm:
- Sơ đồ vị trí và liên hệ vùng: Xác định vị trí, ranh giới lập quy hoạch; thể
hiện các mối quan hệ giữa đô thị và vùng, khu vực có liên quan về kinh tế - xã
hội; điều kiện địa hình, địa vật, các vùng có ảnh hưởng lớn đến kiến trúc cảnh
quan đô thị; hạ tầng kỹ thuật đầu mối và các vấn đề khác tác động đến phát triển

đồ (2D) trong công tác lập quy hoạch nói chung và lập quy hoạch đô thị nói


11

riêng. Chất lượng, phương pháp và biểu thị không gian đô thị trên mô hình bản
đồ có ý nghĩa to lớn trong nội dung của đồ án quy hoạch đô thị. Đây là vấn đề có
tính kỹ thuật cao với sự kết hợp giữa các nhà quy hoạch và các nhà bản đồ,
nhằm cung cấp cho cấp có thẩm quyền trong xét duyệt phương án và đồng thời
cho cho các cơ quan, tổ chức, cá nhân trong thực thi phương án quy hoạch một
cách hiệu quả nhất.
1.1.2.2. Chức năng của một số loại bản đồ trong đồ án quy hoạch
Bản đồ địa hình phục vụ lập đồ án quy hoạch đô thị do cơ quan quản lý
nhà nước về bản đồ cấp hoặc do cơ quan chuyên môn khảo sát, đo đạc lập, bảo
đảm yêu cầu về chất lượng và kỹ thuật theo quy định về sản phẩm đo đạc bản
đồ. Các thông tin, dữ liệu của bản đồ địa hình phải đáp ứng yêu cầu phục vụ
việc lập quy hoạch đô thị phù hợp với từng loại đồ án quy hoạch đô thị. Trường
hợp bản đồ địa hình không phù hợp với hiện trạng tại thời điểm lập quy hoạch
thì thực hiện khảo sát đo đạc chỉnh lý, bổ sung.
Bản đồ quy hoạch chung tỉ lệ 1:5.000 có giá trị xác định các khu vực chức
năng, những định hướng tính giao thông, sẽ rõ ràng mốc giới, địa giới của các
phần đất dành để phát triển hạ tầng đường, cầu, cống, điện, trường học, khu dân
cư, cây xanh, hồ nước... Có thể nói, bản đồ quy hoạch 1:5.000 là cơ sở gốc để
xác định mục tiêu phát triển, kêu gọi đầu tư cũng như vấn đề giải phóng mặt
bằng, đền bù, di dân...
Bản đồ quy hoạch phân khu tỉ lệ 1:2.000 nhằm phân chia và xác định chức
năng sử dụng đất và mạng lưới công trình hạ tầng nhằm cụ thể hóa nội dung của
quy hoạch chung đô thị. Nội dung của quy hoạch phân khu bao gồm: xác định
phạm vi ranh giới, diện tích, tính chất khu vực lập quy hoạch, chỉ tiêu dự kiến về
dân số, sử dụng đất, hạ tầng xã hội, hạ tầng kỹ thuật đối với từng ô phố và đấu

phù hợp chưa được quan tâm và đầu tư thích đáng trong các tổ chức tư vấn và
nghiên cứu thiết kế quy hoạch để quốc tế hoá sản phẩm, đáp ứng yêu cầu mở
rộng quan hệ, giao lưu trong quá trình hội nhập của đất nước.


13

Về cơ bản, trình tự lập quy hoạch ở các nước trên thế giới là tương đối
giống nhau. Tuy nhiên nội dung và phương pháp nghiên cứu cụ thể có những sự
khác nhau mà chúng phụ thuộc vàp thực tế của mỗi nước và nó được thống nhất
trong toàn bộ một quốc gia. Ở nước ta hiện nay, phương pháp luận quy hoạch
chưa được chuẩn hoá. Việc triển khai các đồ án chủ yếu dựa vào một số văn bản
quy định và hướng dẫn của Chính phủ và của Bộ Xây dựng. Việc vận dụng các
văn bản chưa thống nhất trên cả nước, mỗi nơi mỗi khác. Những văn bản này
hiện nay có một số ưu điểm không còn phù hợp với tỉnh hình thực tế cả về nội
dung cũng như về mức độ nghiên cứu, do đó nhiều đồ án đã lúng túng trong quá
trình nghiên cứu triển khai. Việc điều chỉnh sửa đổi các văn bản hiện hữu, đổi
mới nội dung và xây dựng phương pháp luận quy hoạch trên cơ sở các đề tài
nghiên cứu khoa học là một việc cần thiết và cấp bách để tạo ra một hệ thống
các quy định, tiêu chuẩn quy phạm phù hợp, nhằm nâng cao chất lượng và hiệu
quả của các đồ án.
Bên cạnh nhiều thành tựu của công tác quy hoạch ở nước ta vẫn còn
không ít những tồn tại, hạn chế:
- Chất lượng công tác quy hoạch chưa cao, chưa có tầm nhìn xa, công tác
phân tích và dự báo về thị trường còn thiếu tin cậy; tính khả thi chưa cao, chưa
phù hợp với khả năng huy động các nguồn lực để thực hiện. Nhiều quy hoạch
mang tính tình thế, thiếu tính khoa học, ảnh hưởng đến tiến trình chuyển đổi cơ
cấu kinh tế, hạn chế tăng trưởng kinh tế, gây lãng phí lớn tài nguyên thiên nhiên.
Chất lượng của nhiều đồ án quy hoạch còn thấp, chưa đáp ứng được yêu cầu;
chất lượng dự báo thấp nên phải điều chỉnh trước thời hạn; một số đồ án quy

Từ những vấn đề đặt ra và yêu cầu của thực tiễn quy hoạch đô thị, xu
hướng ứng dụng công nghệ 3D về mô hình hóa không gian đã được đặt ra không
những đối với nhiều ngành mà đối với lĩnh vực quy hoạch xây dựng đô thị lại có
một tầm quan trọng đặc biệt.
Trước đây, công tác thiết kế, quy hoạch và quản lý đô thị thường được