CÁC CÔNG NGHỆ KHẢO SÁT VÀ PHÂN TÍCH CẢNH QUANTHÔNG QUA HÌNH ẢNH BẢN ĐỒ

Các phương pháp khảo sát và phân tích cảnh quan ban đầu quan tâm nhiều hơn đến việc trực quan hóa định tính hơn là đo lường định lượng. Ngay cả khi, trong một số ít nghiên cứu, kết quả có thể được định lượng, chúng vẫn khó tính toán trong môi trường không gian lớn (tức là hầu hết các nghiên cứu ban đầu đều tập trung vào phạm vi nhỏ, trong khi các nghiên cứu về cảnh quan thiên nhiên lại tập trung vào các phạm vi rộng. Có một khoảng cách về mức độ phức tạp và quy mô của môi trường.

I – QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA CÔNG NGHỆ KHẢO SÁT VÀ PHÂN TÍCH KHẢ NĂNG HIỂN THỊ

Việc khảo sát và phân tích cảnh quan thông qua hình ảnh bản đồ cảnh quan phát triển nhanh chóng sau khi một loạt lý thuyết phân tích được đề xuất. Theo sự phát triển của khoa học kĩ thuật, trên cơ sở quy trình tối ưu hóa theo sức mạnh đo lường, các công nghệ khảo sát và phân tích khả năng hiển thị có thể chia thành năm thế hệ chính dựa trên tính khoa học và giá trị phân tích tiềm năng của chúng đối với các vấn đề cảnh quan.

Thế hệ 1 (đo lường 2D): Sử dụng một điểm quan sát duy nhất để kết nối với bất kỳ nút hình học nào trong khu vực được quan sát. Các nút được tính toán để phân định các khu vực hiển thị và vô hình miễn là đường ngắm có thể được kết nối trực tiếp với các nút mà không bị chặn. Các kết quả được trình bày dưới dạng tham chiếu trực quan, chỉ xuất các tham số giới hạn, chẳng hạn như đối với công nghệ 2D Isovist [17,19] và 2D VGA [20,21].

Tiến bộ lớn trong việc nâng cấp khả năng phân tích từ 2D lên 3D trong kỹ thuật phân tích khả năng hiển thị có liên quan đến sự phát triển của phần mềm liên quan, chẳng hạn như GIS, mang lại sức mạnh tính toán để hỗ trợ việc thúc đẩy này.

Thế hệ 2 (tính toán số liệu hình học 3D): Các cạnh hình học mà đường ngắm không giao nhau sẽ được kéo dài trên không gian 3D để hiện thực hóa các không gian hữu hình và vô hình. Thứ nguyên tính toán theo chiều dọc được thêm vào dựa trên khả năng hiển thị hai chiều ở Thế hệ 1, gần với phép đo nhận thức trực quan thực sự của người dân và phù hợp hơn để phân tích khả năng hiển thị của các tòa nhà có độ cao khác nhau trong một thành phố thực tế (ví dụ: Công nghệ 3D view [23] và 3D viewsphere[24]).

Thế hệ 3 (raster/lưới 3D): Bề mặt lưới của các vật thể tiếp xúc với đường ngắm được chia thành phần hiển thị và phần vô hình, đồng thời có thể điều chỉnh độ chính xác của phép tính theo kích thước lưới. Vì các lưới là tiêu chuẩn và có thể định lượng nên kết quả có tiềm năng được nghiên cứu sâu hơn thay vì chỉ là hình ảnh trực quan được trình bày (ví dụ: Công nghệ 3D Isovist [34,51] và 3D visibility VGA [38,46]).

Thế hệ 4 (dựa trên voxel 3D): Voxel chạm vào đường ngắm có thể được tính là hữu hình và vô hình. Giá trị gia tăng là việc tính toán mặt bằng chỉ có thể tính mặt khối gần nhất hiện tại một lần chứ không thể tính mặt khối phía sau. Phương pháp tính toán voxel có thể tính toán đồng thời tất cả các không gian chặn (ví dụ: 3D Isovist advanced [35,36] và voxel 3D [25,37]).

Điểm yếu chung của các phương pháp phân tích trước đây của Thế hệ 1–3 là chúng không đủ thông minh và phản ứng nhanh. Chúng quan tâm nhiều hơn đến phân tích tĩnh của các kết quả hiện có, vốn không thể lấy phản hồi làm thông số hỗ trợ cho việc tối ưu hóa thiết kế thông qua sự tương tác giữa phép đo và giải pháp trong quá trình thiết kế và lập quy hoạch.

Hơn nữa, các phương pháp thử nghiệm ở Thế hệ 1–4 chủ yếu là đo các đối tượng theo một điểm quan sát đặt trước đơn giản, khó chuyển đổi giữa điểm quan sát và cảnh quan được quan sát.

Thế hệ 5: kết hợp các ưu điểm của điện toán lưới tiêu chuẩn, độ chính xác biến đổi dựa trên voxel và phản hồi can thiệp, đồng thời thêm chức năng quét chu kỳ hàng loạt và ghi lại quy trình làm việc, giúp giải quyết các vấn đề về đường dây, khả năng hiển thị mặt phẳng và chồng chất trong các vấn đề cảnh quan phức tạp và do đó, tính di động của thị giác và các vấn đề quy mô chéo. Thế hệ 5 kết hợp các ưu điểm của điện toán lưới tiêu chuẩn, độ chính xác biến đổi dựa trên voxel và phản hồi can thiệp, đồng thời đã thêm chức năng quét chu kỳ hàng loạt và ghi lại quy trình làm việc, giúp giải quyết các vấn đề về đường dây, khả năng hiển thị mặt phẳng và chồng chất trong các vấn đề cảnh quan phức tạp và do đó, tính di động của thị giác và các vấn đề quy mô chéo được giải quyết.

II – CÁC CÔNG NGHỆ KHẢO SÁT VÀ PHÂN TÍCH HIỂN THỊ THÔNG DỤNG

Cho đến nay, có nhiều công cụ phân tích chế độ xem 3D được sử dụng để khảo sát, phân tích các vấn đề về không gian và cảnh quan, điển hình là các công nghệ dưới đây:

• Công cụ ArcGIS và ArcGIS Pro

Công cụ này được giới thiệu lần đầu vào năm 2000 có thuật toán dựa trên lý thuyết tầm nhìn [17], có thể xác định phạm vi nhìn thấy được của các ngọn núi và thung lũng để giải quyết tầm nhìn cảnh quan của địa hình. Công cụ này ban đầu được thiết kế để phân tích địa hình và tiến hành phân tích lưu vực, đồng thời thuật toán ban đầu được thiết kế cho một quan điểm duy nhất và có khả năng mở rộng tính toán thấp khi số lượng quan điểm tăng lên [52]. Việc áp dụng công cụ này chủ yếu tập trung vào các vấn đề sinh thái và cảnh quan khu vực, hơn là các vấn đề về đô thị và kiến trúc [53,54]. Trong phiên bản ArcGIS Pro mới nhất, thuật toán góc nhìn được tối ưu hóa và có thể đặt nhiều góc nhìn.

• Công cụ Supermap

Công ty Supermap đã kế thừa và tối ưu hóa các công cụ phân tích khung nhìn GIS trong phần mềm ArcGIS của nền tảng ESRI GIS. Mô hình Mô-đun phân tích hành lang trực quan điểm-điểm và mô-đun phân tích đường chân trời dựa trên phương pháp quan sát hoặc đường ngắm [57] cũng được thêm vào. Công cụ này chủ yếu nhắm đến phạm vi trực quan của không gian và địa hình tự nhiên để thực hiện các hoạt động trực quan hơn, đồng thời nó cũng có thể phân tích các không gian phức tạp. Việc sử dụng các công cụ được thực hiện với tốc độ tính toán nhanh, độ chính xác tính toán có thể điều chỉnh được [58]. Đó là một phương pháp phân tích trực quan, có thể chia không gian thành các phần hữu hình và vô hình. Công cụ này có tính áp dụng mạnh trong phân tích không gian cảnh quan đô thị tuy nhiên bài toán định lượng trong nghiên cứu quy hoạch vẫn chưa được giải quyết và kết quả phân tích vẫn thiếu thông số đầu ra cụ thể [58].

Hình 1: Minh họa sử dụng công cụ Super Map để phân tích cảnh quan

• Công cụ Depth Space 3D

Công cụ này được xây dựng dựa trên Bản đồ độ sâu của Lý thuyết đồ thị. Vào năm 2020, Phần mềm Depth Space 3D được xây dựng bằng cách sử dụng lý thuyết cú pháp tốc độ, mở rộng các phương pháp phân tích của Isovist [19] và VGA MAP [21] sang VGA 3D. Các không gian cảnh quan đô thị phức tạp, chẳng hạn như đường phố xây dựng và không gian xanh, có thể được tính toán chính xác hơn [46]. Công cụ này chủ yếu nhắm đến phạm vi trực quan của không gian và địa hình tự nhiên trong thành phố để thực hiện các hoạt động trực quan hơn, đồng thời nó cũng có thể phân tích các không gian cảnh quan đô thị phức tạp. Việc sử dụng các công cụ được tiến hành với tốc độ tính toán nhanh, với độ chính xác tính toán có thể điều chỉnh được. Các tính toán phức tạp có thể được thực hiện cho các không gian phức tạp, chẳng hạn như môi trường có nhiều cây xanh [46].

• Công cụ 3D Isovist và plugin DeCodingSpaces

Là công cụ thực hiện các hoạt động và phân tích hình ảnh 3D tinh tế trên các dạng tòa nhà hình học phức tạp, đường phố và các không gian quy mô nhỏ khác. Kết quả tính toán có thể được xuất dưới dạng kết quả hình học vector và kết quả tham số [59]. Ứng dụng của công cụ này chủ yếu tập trung vào việc xây dựng nội ngoại thất và không gian đường phố quy mô nhỏ [60]. Các kết quả được cung cấp dưới dạng tham số và có tiềm năng lớn hỗ trợ xử lý tiếp, trong khi tốc độ tính toán chậm, khó phù hợp với không gian cảnh quan đô thị và môi trường tự nhiên quy mô lớn [60].

Sau đó ở các bản nâng cấp hơn các phương pháp viewshed [17], Isovist [19], VGA map [21], v.v., đã được thêm vào phân tích khung nhìn mô-đun và xem Windrose, cũng như các chức năng plug-in khác. Mô-đun phân tích chế độ xem có thể thực hiện các hoạt động phân tích hình ảnh 3D tinh vi và tính toán khả năng hiển thị bầu trời trên các dạng tòa nhà hình học phức tạp, đường phố và các không gian đô thị quy mô trung bình khác. Các kết quả tính toán cũng được lượng hóa. Công cụ này có thể được sử dụng rộng rãi trong không gian xây dựng, không gian đường phố, không gian cảnh quan đô thị quy mô lớn và trên địa hình tự nhiên, trong khi độ chính xác của phân tích có thể được điều chỉnh để đáp ứng nhu cầu của các quy mô môi trường khác nhau. Kết quả có thể được xuất dưới dạng danh sách các tham số để xử lý tiếp.

Hình 2: Minh họa sử dụng công nghệ 3D Isovit để lập hình ảnh mô phỏng 3D và phân tích cảnh quan

• Công cụ GPS và 3D laser scanner

GPS và quét laser là những từ thông dụng mới trong Kiến trúc cảnh quan và cả hai đều hứa hẹn mang lại dữ liệu cảnh quan ba chiều chính xác. Công nghệ này cxây dựng và cung cấp một mô hình địa hình kĩ thuật số (Digital Terrain Models, viết tắt là DTM) dựa trên thời gian thực. Số liệu khảo sát đất đai là cơ sở cơ bản, không thể thiếu đối với mỗi dự án kiến trúc cảnh quan. Theo truyền thống, các nhà thiết kế làm việc với sự nhấp nhô của địa hình bằng bản đồ hai chiều. Vì địa hình thực là ba chiều nên DTM phù hợp với sinh lý thị giác của con người hơn là bản đồ hai chiều. Sự xuất hiện của công nghệ khảo sát mới được đề cập ở trên có nghĩa là các nhà thiết kế cảnh quan giờ đây có thể tạo ra một DTM “được mô phỏng riêng” cho địa điểm cho các ý tưởng thiết kế nhất định.

Công việc của máy quét laser 3D gồm hai phần: quét dữ liệu tại chỗ và xử lý dữ liệu bên trong. Có nhiều nhãn hiệu máy quét trên thị trường, hiện nay trên thế giới thông dụng là máy Leica Scanstation 10. Nó có khoảng cách quét lên tới 300 mét, mật độ quét đạt 1 mm và độ quét từ 270° đến 360°.

Việc quét dữ liệu tại chỗ được hoàn thành bởi một nhà khảo sát chuyên nghiệp trong khoảng 30 phút, với 2 trạm. Bởi vì mỗi máy quét khu vực tại một trạm riêng lẻ bị giới hạn về phạm vi, cảnh quan quy mô lớn đòi hỏi phải thiết lập nhiều trạm để thu được dữ liệu hình học và kết cấu hoàn chỉnh theo các hướng khác nhau và ở các góc khác nhau. Để thiết kế một bộ trạm tối ưu và thiết lập độ chính xác quét phù hợp, trước tiên máy quét cần điều tra các đặc điểm của địa hình cụ thể, cũng như khoảng cách và điều kiện tầm nhìn của địa điểm.

Việc xử lý dữ liệu ngoại vi được thực hiện bằng các phần mềm xử lý ví dụ phần mềm Cyclone được gắn vào máy quét. Phần mềm Cyclone cho phép dữ liệu điểm được thu thập bởi các trạm khác nhau không chỉ được tự động kết hợp và chuyển đổi trong một hệ tọa độ mà còn được di chuyển, lật, xóa hoặc đo một cách tự do. Xóa các điểm nhiễu trong dữ liệu đám mây điểm là một phần chính của công việc xử lý dữ liệu và rất tốn thời gian.

Điểm nhiễu được gây ra bởi ba yếu tố cơ bản:

• Lỗi tạo ra bởi các yếu tố bề mặt của khu vực, chẳng hạn như độ nhám, nếp gấp, vật liệu, và như vậy.
• Các lỗi do hệ thống quét gây ra, chẳng hạn như độ chính xác khác nhau, độ phân giải quét, độ rung của máy quét laser, v.v.
• Tiếng ồn ngẫu nhiên do các yếu tố không thường xuyên xuất hiện trong quá trình quét, ví dụ như bụi thời tiết, các vật thể chuyển động như người hoặc phương tiện.

Khi chỉnh sửa xong, dữ liệu đám mây điểm có thể được lưu dưới dạng tệp *.pts hoặc *.rcs để tạo DTM.

Tuy nhiên công nghệ này có 1 hạn chế là nếu quét tại các địa điểm vào mùa hè thì sẽ khó xây dựng mô hình vì bề mặt của địa điểm gần như bị bao phủ hoàn toàn bởi các loại thực vật khác nhau, điều đó có nghĩa là các đám mây điểm về cơ bản hiển thị là thảm thực vật và sẽ không cung cấp được dữ liệu chính xác về địa hình và các vật thể. Để khắc phục vấn đề này, cần kết hợp công nghệ 3D laser scanner với các phần mềm xử lý và lọc đối tượng, ví dụ Công cụ Builder.

• Công cụ mô phỏng 3D địa hình ứng dụng Flycam

Lập mô phỏng 3D địa hình bằng Flycam là quá trình sử dụng Flycam (máy bay không người lái) để chụp hình và thu thập dữ liệu địa hình từ không gian. Sau đó, dữ liệu này được xử lý để tạo ra một mô hình 3D của địa hình.

Để thực hiện quá trình này, Flycam được trang bị các thiết bị cảm biến như GPS và camera để thu thập thông tin địa hình. Dữ liệu được thu thập bao gồm hình ảnh, thông tin địa lý và thông tin về độ cao. Các dữ liệu này được ghi lại và đưa vào phần mềm xử lý sau đó tạo ra một mô hình 3D của địa hình.

Mô hình 3D của địa hình được tạo ra từ dữ liệu thu thập bằng Flycam có thể cung cấp cho người dùng một cái nhìn toàn cảnh về địa hình và cung cấp cho họ những thông tin chi tiết về độ cao, độ dốc và hình dạng của địa hình. Việc tạo mô hình 3D này cũng có thể giúp cho việc lập kế hoạch đô thị, thiết kế và quản lý cảnh quan trở nên dễ dàng hơn.

Xử lý hình ảnh thu thập từ Flycam để tạo ra mô hình 3D

Công đoạn này cần sử dụng các phần mềm mô phỏng chuyên dụng. Phần mềm mô phỏng 3D địa hình sử dụng flycam là một công cụ hữu ích để tạo ra mô hình 3D của địa hình và khu vực xung quanh từ những hình ảnh chụp bằng flycam. Phần mềm này cho phép người dùng tạo ra các bản đồ 3D với độ chính xác cao, giúp hiển thị chi tiết địa hình và các đối tượng trong khu vực được quan sát.

Một số phần mềm tạo mô hình 3D địa hình ứng dụng flycam phổ biến bao gồm:

Pix4D: Đây là một trong những phần mềm tạo mô hình 3D địa hình phổ biến nhất hiện nay, được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như xây dựng, địa chính, khảo sát và quản lý tài sản. Pix4D cho phép người dùng tạo ra các bản đồ 3D địa hình với độ chính xác cao và chứa các đối tượng chi tiết như cây cối, đường bộ, hồ, sông, đồi núi…

Agisoft Metashape: Đây là một phần mềm tạo mô hình 3D địa hình mạnh mẽ, cung cấp nhiều tính năng và công cụ để tạo ra các bản đồ 3D địa hình chất lượng cao. Phần mềm này cung cấp các tính năng tương tự như Pix4Dmapper, cho phép người dùng chụp hình từ Flycam và tạo ra các mô hình 3D chân thực của địa hình.

Cả hai phần mềm đều sử dụng các thuật toán xử lý ảnh và khả năng tính toán cao để tạo ra các mô hình 3D chân thực của địa hình từ các hình ảnh chụp bằng Flycam. Tuy nhiên, để sử dụng phần mềm này, người dùng cần phải có kiến thức về xử lý ảnh và mô hình hóa 3D.

Hình 3: Minh họa sử dụng công nghệ Flycam phục vụ tái hiện cảnh quan 3D

• Công cụ GIS

Hệ thống thông tin địa lý GIS (Geographic Information Systems) là một hệ thống công cụ máy tính để thu thập, lưu trữ, kiểm tra và hiển thị dữ liệu liên quan đến các vị trí trên bề mặt Trái đất. Bằng cách liên hệ các dữ liệu dường như không liên quan đến nhau (giao thông, thuỷ lợi, thảm thực vật…), GIS có thể giúp chúng ta hiểu rõ hơn về các mô hình không gian và các mối quan hệ giữa chúng.

• GIS là hệ thống bao gồm các thành phần cơ bản sau:

Phần cứng (hardware)

Phần cứng của một hệ GIS gồm máy vi tính, cấu hình và mạng công việc của máy tính, các thiết bị ngoại vi nhập xuất và lưu trữ dữ liệu. Ngày nay, phần mềm GIS có khả năng chạy trên rất nhiều dạng phần cứng, từ máy chủ trung tâm đến các máy trạm hoạt động độc lập hoặc liên kết mạng.

Phần mềm (software)

Phần mềm cung cấp các chức năng và các công cụ cần thiết để lưu giữ, phân tích và hiển thị thông tin địa lý. Một hệ GIS gồm năm phụ hệ kỹ thuật (subsystem) chủ yếu sau:

• Nhập dữ liệu
• Lưu trữ và quản lý dữ liệu
• Chuyển đổi dữ liệu
• Hiển thị dữ liệu và báo cáo kết quả
• Giao diện với người dùng

Dữ liệu GIS

Dữ liệu GIS có thể coi thành phần quan trọng nhất trong một hệ GIS là dữ liệu. Các dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc tính. Hệ GIS sẽ kết hợp dữ liệu không gian với các nguồn dữ liệu khác, thậm chí có thể sử dụng DBMS (Database Management System) để tổ chức lưu trữ và quản lý dữ liệu.

• Tính chất và đặc điểm của công cụ GIS

Hệ thống dựa trên máy tính: GIS là công nghệ dựa trên máy tính. Điều này nhấn mạnh vai trò của máy tính trong việc xử lý và quản lý thông tin địa lý.

Dữ liệu không gian: GIS đề cập đến tầm quan trọng của thông tin địa lý hoặc tham chiếu về mặt địa lý, nó xử lý dữ liệu liên quan đến các vị trí cụ thể trên bề mặt Trái đất.

Quản lý dữ liệu: GIS lưu trữ và quản lý dữ liệu. GIS không chỉ là hiển thị bản đồ; nó liên quan đến việc thu thập, quản lý và phân tích dữ liệu trong bối cảnh không gian.

Tích hợp Dữ liệu và Bản đồ: GIS kết nối dữ liệu không gian (vị trí của mọi thứ) với dữ liệu thuộc tính (mọi thứ ở đó trông như thế nào). Sự tích hợp này là một khía cạnh cốt lõi của chức năng GIS.

Khả năng phân tích: Các thuật ngữ “phân tích” và “hiển thị” chỉ ra rằng GIS không chỉ là hiển thị dữ liệu. Nhưng GIS cũng bao gồm các chức năng phân tích. Điều này có nghĩa là nó có thể phân tích và tạo ra những hiểu biết sâu sắc từ dữ liệu không gian

• Chức năng của GIS:

Ba chức năng chính của hệ thống GIS là:

• Thu thập, số hóa và lưu trữ dữ liệu đầu vào của thông tin không gian địa lý
• Trực quan hóa dữ liệu và chuyển đổi hiển thị trên hệ thống bản đồ 
• Phân tích không gian GIS phục vụ cho các mục đích khác nhau, tùy theo mục đích sẽ có các gói GIS hoặc các công cụ, phần mềm hỗ trợ phân tích riêng như các phương tiện tích hợp tiêu chuẩn, dưới dạng bộ công cụ tùy chọn, dưới dạng phần bổ trợ hoặc 'nhà phân tích'.
• Ứng dụng của GIS

GIS là một công cụ mạnh và có ứng dụng rất rộng trong nhiều ngành, lĩnh vực khác nhau như: Nó là một loại hệ thống thông tin đặc biệt nên tuỳ mục đích và hoàn cảnh ứng dụng cụ thể mà lựa chọn và thiết kế hệ thống cho phù hợp. Một dự án GIS chỉ thành công khi nó được quản lý tốt và người sử dụng hệ thống phải có kỹ năng tốt, nghĩa là phải có sự phối hợp tốt giữa công tác quản lý và công nghệ GIS.

GIS ứng dụng đa dạng vào nhiều ngành, lĩnh vực như: giao thông, môi trường, nông nghiệp, quản lý đất đai, kiến trúc xây dựng, hạ tầng, quản lý hành chính, y tế, thị trường bán lẻ, …..

Hình 4: Minh họa sử dụng các dữ liệu bản đồ GIS và ảnh vệ tinh phục vụ công tác phân tích cảnh quan (Nguồn: Globe Institute, University of Copenhaghen)

Ths. Nguyễn Hoàng Linh - Bộ môn Kiến trúc Cảnh qua, Khoa Kiến trúc và Quy hoạch