Giới thiệu

Phát triển đô thị một cách bền vững ngày được coi là một yêu cầu cấp thiết trên mức độ toàn cầu, đòi hỏi các giải pháp đổi mới có thể điều hướng những biến động phức tạp của môi trường đô thị đương đại. Trong bối cảnh đang thay đổi này, Bản sao Kỹ thuật số Đô thị (UDT) đã nổi lên như những công cụ chuyển đổi, mô phỏng và phân tích các kịch bản đô thị để cung cấp những hiểu biết sâu sắc về chức năng của thành phố, mang đến một hướng đi đầy hứa hẹn để thúc đẩy phát triển đô thị bền vững. Điều này giúp các nhà quy hoạch đô thị có thể dự đoán và phân tích tác động của các kịch bản đô thị khác nhau để tối ưu hóa, giải quyết các thách thức hướng đến mục tiêu môi trường đô thị bền vững.

Tuy nhiên, việc tận dụng những tiềm năng này để tăng cường sự tham gia của các bên liên quan, thu hút người dân, nâng cao nhận thức về môi trường vẫn chưa được chú trọng khai thác. Điều này xuất phát từ nhiều nguyên nhân, nhưng chủ yếu đến từ việc thiếu khả năng phân tích các đặc điểm trực quan của cảnh quan đô thị và dự đoán nhận thức của công chúng dựa trên hình ảnh chân thực.

Thông qua lược dịch các tài liệu liên quan, bài viết này giới thiệu một nền tảng UDT có thể cho phép việc đánh giá đặc điểm khách quan và nhận thức trực quan chủ quan, cùng với việc dự đoán nhận thức trong các kịch bản mô phỏng để dự đoán nhận thức các bên liên quan về các kịch bản trước khi chúng được xây dựng, dẫn đến quy hoạch đô thị hiệu quả và tự động hơn.

Bản sao Kỹ thuật số đô thị - UDT lấy con người làm trung tâm

Ban đầu bắt nguồn từ ngành hàng không vũ trụ, khái niệm Digital Twin - Bản sao Kỹ thuật số đã mở rộng phạm vi, bao gồm quản lý đô thị, từ đó đặt nền móng cho một mô hình mới trong quy hoạch và phát triển đô thị. Bản sao kỹ thuật số bao gồm bản sao chi tiết và biểu diễn ảo của các thực thể vật lý khách quan, do đó tạo điều kiện thuận lợi cho việc thiết lập mối quan hệ ánh xạ phản chiếu giữa thực thể ảo và thực thể vật lý. Về mặt lý tưởng, mối quan hệ này là hai chiều, dẫn đến cho phép việc ra quyết định và can thiệp vào thế giới thực.

Hiện tại, công nghệ UDT có thể tạo điều kiện thuận lợi cho việc phân tích khoa học, mô phỏng ảo, suy luận dự đoán, tối ưu hóa lặp lại các thực thể vật lý và tự động hóa hứa hẹn để thử nghiệm các kịch bản đô thị và chuyển đổi thông tin chi tiết thành các hành động trong thế giới thực. Ngoài ra UDT và các công nghệ liên quan có thể cung cấp hiểu biết sâu sắc hơn về các vấn đề khác nhau trong môi trường xây dựng, trong đó nhận thức thị giác là một khía cạnh đặc biệt quan trọng.

Vậy nhận thức thị giác là gì? Là khả năng phát hiện ánh sáng và sử dụng nó để tạo thành hình ảnh xung quanh môi trường. Kết quả nhận thức thị giác còn được gọi là tầm nhìn, hoặc thị lực.

Đối với nhận thức thị giác và trải nghiệm của người dân về môi trường đô thị không chỉ tác động trực tiếp đến sự hài lòng của họ với không gian đô thị mà còn thúc đẩy tham gia của người dân vào các hoạt động cộng đồng. Do đó, việc hiểu sâu sắc nhận thức thị giác của cư dân và tích hợp chúng một cách toàn diện vào quy hoạch đô thị là rất quan trọng, điều này có thể giúp tạo ra một môi trường đô thị đáp ứng tốt hơn, lấy con người làm trung tâm và bền vững hơn.

Trong bối cảnh nghiên cứu, phát triển công nghệ trong lĩnh vực UDT đang ngày càng đẩy mạnh, một khía cạnh quan trọng vẫn chưa được khám phá, chú trọng là tiềm năng của UDT trong việc đánh giá và dự đoán nhận thức chủ quan của con người trước những thay đổi của môi trường đô thị vẫn còn rất hạn chế. Có rất nhiều nghiên cứu, phương pháp để đánh giá một cách khách quan tác động về môi trường xây dựng, nhưng hiếm khi đề cập đến nhận thức thị giác chủ quan của người dân vốn có nhiều ảnh hưởng đến trải nghiệm của người dân về không gian đô thị.

Với việc tích hợp nhận thức của con người vào UDT để tiến hành mô phỏng không gian đô thị với các yếu tố như tỷ lệ chiều cao - chiều rộng của đường phố, tỷ lệ chiều cao – thấp các tòa nhà, tỷ lệ tầm nhìn cây xanh,..., đưa đến sự đồng thuận cao giữa các bên liên quan với góc nhìn toàn diện hơn, thực tế hơn về quy hoạch môi trường đô thị. Việc tích hợp này bao gồm việc sử dụng các thuật toán tiên tiến như thị giác máy tính và các phương pháp phân tích tham số không gian, để nhằm đánh giá hiệu quả các đặc điểm không gian của môi trường xây dựng, từ đó xây dựng các công cụ hỗ trợ quản lý khoa học đô thị và hỗ trợ quá trình ra quyết định. Ngoài việc tích hợp này còn cho phép mô hình hóa mô phỏng, tối ưu hóa môi trường xây dựng và tạo ra tiềm năng cho việc tự động dự đoán nhận thức thị giác của con người với sự hỗ trợ của trí tuệ nhân tạo và kết xuất ảnh chân thực.

Việc tích hợp nhận thức của con người vào UDT mở đường cho các mô phỏng phản ánh chính xác hơn các trải nghiệm thực tế, cho phép các nhà quy hoạch đô thị dự đoán và giảm thiểu các vấn đề tiềm ẩn trước khi chúng trở thành hiện thực, đồng thời có thể cung cấp sự hiểu biết toàn diện về cách môi trường đô thị thông qua nhận thức và trải nghiệm cá nhân.

Các mô hình 3D chính xác của môi trường đô thị với nhiều yếu tố cảnh quan (như: tòa nhà, hệ thống giao thông, thảm thực vật….) là cơ sở dữ liệu cùng với với các hình ảnh toàn cảnh (như dữ liệu bản đồ…) được cập nhật liên tục theo thời gian thực hoặc theo các chu kỳ đều đặn  đóng vai trò là dữ liệu đầu vào cho phép duy trì độ chính xác của UDT, đảm bảo phản ánh chính xác trạng thái hiện tại của môi trường vật lý. Bên cạnh đó, tích hợp các thiết bị nhận thức ảo nhập vai, chẳng hạn như kính, tai nghe VR… với các chế độ nhận thức thị giác thân thiện với người dùng vào nền tảng UDT có thể tăng cường đáng kể sự tiếp cận, tham gia của công chúng tham gia sâu vào các kịch bản quy hoạch đô thị tiềm năng, cung cấp những hiểu biết giá trị về sở thích và nhận thức của công chúng. Kết hợp UDT với công nghệ tương tác giữa người và máy tính (thực tế ảo-VR), cho phép thu thập, phân tích để tạo ra những nhận thức thị giác chủ quan về cảnh quan thành phố, tạo điều kiện cho quá trình toàn diện và tương tác hơn để điều chỉnh quy hoạch, không gian vật lý đô thị phù hợp với nhu cầu đa dạng của cư dân.

Mô hình bản sao kỹ thuật số là nền tảng để mô phỏng các kịch bản đô thị

Các mô hình bản sao kỹ thuật số đóng vai trò là nền tảng để mô phỏng các kịch bản đô thị khác nhau, từ phát triển cơ sở hạ tầng đến các chiến lược ứng phó thảm họa thông qua cung cấp cái nhìn toàn diện về hoạt động của thành phố. Các mô hình này cho phép các nhà quy hoạch đô thị và những người ra quyết định có thể dự đoán, hình dung hậu quả của các lựa chọn của họ trước khi triển khai chúng trong thế giới thực, đảm bảo rằng sự phát triển đô thị bền vững và phù hợp với nhu cầu của cộng đồng. Các mô hình bản sao kỹ thuật số đòi hỏi phải mô phỏng và phân tích các đặc điểm môi trường vật lý cũng như các vật thể di động trong bối cảnh đô thị trên các nền tảng phần mềm phù hợp. Một số tập đoàn công nghệ như General Electric và Siemens, đã phát triển các nền tảng Bản sao kỹ thuật số, trong khi các nền tảng phần mềm như Rhino-Grasshopper và ArcGIS có khả năng hỗ trợ toàn bộ hoặc một phần các ứng dụng liên quan đến bản sao kỹ thuật số.

Ứng dụng của nền tảng Bản sao kỹ thuật số trong bối cảnh đô thị rất đa dạng và mang tính biến đổi cao. Nền tảng Bản sao kỹ thuật số có những khác biệt so với các dự án thành phố thông minh. Nó có thể cung cấp mức độ chi tiết chưa từng có trong việc giám sát và phân tích di chuyển đô thị thông qua giám sát di chuyển, tập trung vào việc khách quan hóa, phân tích và nén dữ liệu của từng người đi bộ hoặc phương tiện, cũng như khả năng phát hiện dữ liệu di chuyển riêng lẻ và hiển thị hình ảnh 3D. Tương tự, nền tảng Bản sao kỹ thuật số có thể được thiết kế để giám sát khí thải trên đường thông qua tích hợp môi trường kỹ thuật số dựa trên công nghệ thực tế ảo-VR với mô hình mô phỏng vi mô cho giao thông nền và sử dụng trình mô phỏng khí thải của xe cơ giới để ước tính khí thải chính xác. Điều này không chỉ hỗ trợ giải quyết các thách thức đô thị phức tạp mà còn đóng góp vai trò thúc đẩy môi trường đô thị bền vững hơn thông qua việc cải thiện các hoạt động giám sát và quản lý khí thải.   

Ngoài việc giám sát truyền thống các thông số vật lý đô thị thông qua các công nghệ IoT, như nhiệt độ, mực nước, độ ẩm …., hình ảnh được chụp bởi một mạng lưới rộng lớn các camera giám sát đô thị đã trở thành một nguồn dữ liệu không thể thiếu cho các bản sao kỹ thuật số. Sự tích hợp liền mạch này từ giai đoạn thu thập và phân tích dữ liệu ban đầu cho đến việc áp dụng các thuật toán tiên tiến, học sâu để làm nền tảng cho các dự đoán đa chiều phức tạp và phân tích nhận thức về mối nguy hiểm trong môi trường đô thị, khám phá, dự đoán động lực môi trường đô thị chính là yếu tố thực sự biến các bản sao kỹ thuật số thành các thực thể "thông minh".

Tích hợp nhận thức thị giác của con người vào UDT để tối ưu hóa môi trường

Theo cách cũ, Bản sao kỹ thuật số tập trung vào việc tái tạo cơ sở hạ tầng vật lý và động lực được vận hành với độ chính xác cao. Tuy nhiên, để thực sự chuyển đổi cuộc sống đô thị, việc kết hợp nhận thức của con người vào các bản sao kỹ thuật số này là điều cần thiết và bắt buộc.

Việc tích hợp nhận thức thị giác của con người trở nên quan trọng để nâng cao tính chân thực và hiệu quả của UDT trong việc tái tạo môi trường đô thị thực tế. Bằng cách hiểu và mô phỏng cách con người nhận thức và tương tác với môi trường xung quanh, UDT có thể cung cấp một phương pháp tiếp cận toàn diện hơn cho việc cải thiện đô thị. Sự kết hợp quan trọng của nhận thức của con người, đặc biệt là thông qua việc sử dụng công nghệ thực tế ảo (VR) hoặc công nghệ thực tế tăng cường (AR), vào các nền tảng này đã nổi lên như một phương pháp tiếp cận mạnh mẽ trong lĩnh vực quy hoạch đô thị và phân tích cảnh quan. Kính VR và môi trường nhập vai cho phép các nhà quy hoạch đô thị, kiến ​​trúc sư và nhà nghiên cứu bước vào không gian kỹ thuật số, khám phá cảnh quan đô thị từ nhiều góc nhìn, bao gồm góc nhìn từ mặt đất và góc nhìn từ trên cao... Sự nhập vai này nâng cao đáng kể khả năng nhận thức và hiểu biết về các cấu hình đô thị phức tạp và các mối quan hệ không gian, đồng thời cũng có thể mang đến những trải nghiệm năng động và nhập vai.

Đặc biệt trong các dự án xây dựng mới hoặc phát triển cơ sở hạ tầng, các nhà quy hoạch đô thị và người ra quyết định có thể hình dung tác động của những thay đổi được đề xuất trong môi trường 3D thực tế. Mô phỏng động này hỗ trợ việc đánh giá những thay đổi này có thể ảnh hưởng như thế nào đến các đặc điểm cảnh quan và trải nghiệm của con người trong môi trường đô thị.

Lời kết

Việc tích hợp các bản sao kỹ thuật số với VR hoặc AR có tiềm năng to lớn trong việc thu hút công chúng tham gia vào quy hoạch, thiết kế và quản lý đô thị. Người dân có thể nhập vai, khám phá, “đi bộ qua” cảnh quan tương lai thành phố một cách trực quan từ các thiết kế và phát triển đô thị được đề xuất.

Người dân có thể truy cập giao diện ảo thông qua các công cụ VR hoặc AR cá nhân từ web của điện thoại thông minh và các thiết bị kỹ thuật số khác đã góp phần thúc đẩy sự tham gia, trao quyền cho cư dân bày tỏ quan điểm, sở thích và mối quan tâm của họ một cách hiệu quả. Đồng thời, những công nghệ nhập vai này mang đến những cách thức sáng tạo mới để thu hút, cho phép người dân tham gia vào việc định hình thành phố của họ, góp phần vào sự phát triển đô thị bền vững và lấy con người làm trung tâm.

Người thực hiện

Lê Việt Hưng

Phòng Dịch vụ số - Cục chuyển đổi số quốc gia

Tài liệu tham khảo

1. https://en.wikipedia.org/wiki/Visual_perception

2. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2210670721009082

3. https://www.researchgate.net/publication/367972661_A_Review_on_Digital_Twin_Technology_in_Smart_Grid_Transportation_System_and_Smart_City_Challenges_and_Future

4. https://www.researchgate.net/publication/370514153_MetaOmniCity_Towards_immersive_urban_metaverse_cyberspaces_using_smart_city_digital_twins