Công nghệ Lidar Scanner trong công tác xây dựng dữ liệu số bảo tồn di sản kiến trúc

Bảo tồn di sản kiến trúc có ý nghĩa đối với các hoạt động kinh tế, văn hóa chính trị và trực tiếp sinh ra các nguồn lợi vật chất. Để có thể bảo tồn hay trùng tu lại một di sản kiến trúc một cách chính xác nhất thì chúng ta cần có cơ sở dữ liệu số về các công trình kiến trúc này. Bài báo giới thiệu công nghệ LiDAR scanner, hỗ trợ công tác xây dựng dữ liệu số có độ chính xác cao, tiết kiệm chi phí và thời gian đặc biệt là dữ liệu đo đạc còn được dựng dưới dạng 3D. Dữ liệu số này dùng để lưu trữ cũng như là nguồn tài liệu quý giá khi chúng ta muốn khôi phục lại một di sản giống như trước khi nó bị phá hủy hay xuống cấp. Các thông tin đưa ra trong bài báo sẽ giúp cho các nhà quản lý, nhà bảo tồn có thể ra quyết định chính xác trong việc lựa chọn phương án xây dựng cơ sở dữ liệu số bảo tồn di sản kiến trúc.

3D khu thành đại nội Huế

Bảo tồn di sản kiến trúc trong thời kỳ chuyển đổi số

Bảo tồn di sản kiến trúc là quá trình khôi phục, bảo tồn và quản lý những thay đổi của di sản theo cách thức duy trì và nâng cao ý nghĩa, nâng tầm giá trị của công trình[1]. Bảo tồn một di sản kiến trúc hoặc công trình đóng một vai trò quan trọng trong việc quảng bá, xác định địa danh cũng như tạo ra lợi nhuận kinh tế và hỗ trợ ngành du lịch, đặc biệt là giữ lại giá trị văn hóa và tinh thần. Sự phá hủy các di sản kiến trúc – đô thị sẽ làm thiệt hại cơ cấu kinh tế đô thị, đôi khi nguy hiểm đến mức làm lụi tàn đô thị do đánh mất bản sắc riêng.

Các quốc gia trên thế giới rất coi trọng vấn đề bảo tồn di sản và xây dựng dữ liệu số các di sản kiến trúc phục vụ công tác bảo tồn từ những năm 1980. Năm 2021, Chính phủ Việt Nam đã phê duyệt Định hướng phát triển kiến trúc Việt Nam đến năm 2030, tầm nhìn đến năm 2050, trong đó đã khẳng định chủ trương bảo tồn các di sản kiến trúc cùng các giá trị cốt lõi, tạo lập nên bản sắc văn hóa dân tộc trong kiến trúc truyền thống Việt Nam. Sự kết nối hữu cơ giữa các di sản với tổng thể kiến trúc của một khu vực trong đô thị, nông thôn cần được đảm bảo xuyên suốt trong quá trình phát triển kiến trúc. Bản sắc văn hóa trong kiến trúc phải được bảo tồn, phát huy phù hợp với từng giai đoạn phát triển của đất nước, đặc điểm vùng miền; phản ánh mối quan hệ với nền kiến trúc hiện đại, ứng dụng những tiến bộ về công nghệ kỹ thuật; gắn kết khả năng công nghệ, vật liệu, kinh tế của từng địa phương. Chính phủ cũng yêu cầu ngành kiến trúc cũng phải xây dựng bộ cơ sở dữ liệu có hệ thống nhằm chuyển đổi số ngành kiến trúc [2]. Điều đó khẳng định bảo tồn và xây dựng cơ sở dữ liệu số cho lĩnh vực di sản là hướng đi mới trong ngành kiến trúc.

Mặt khác, việc sử dụng các phương pháp xây dựng dữ liệu số bảo tồn di sản kiến trúc truyền thống chưa mang lại hiệu quả cao, đa phần các công trình di sản sau khi bị xuống cấp hay bị phá hủy thì đều không thể khôi phục lại như thiết kế ban đầu. Phương pháp sử dụng lidar scanner được nhiều nước tiên tiến sử dụng và có hiệu quả rất cao, điển hình như Nhà thờ Đức Bà tại Pháp – Năm 2019, ngọn lửa đã phá hủy mái và chóp của nhà thờ và quá trình trùng tu và xây dựng lại nào cũng sẽ là một thách thức khó khăn và phức tạp[3]. Tuy nhiên, nhờ sử dụng máy quét chụp và lưu bộ dữ liệu số được chụp vào năm 2010 đã hỗ trợ rất nhiều trong công tác khôi phục. Cổng thành Namdaemun, trấn giữ phía Nam của cung điện Gyeongbokgung đã bị lửa thiêu rụi, nhờ ứng dụng công nghệ quét laser lưu giữ bảo tồn di sản nên việc khôi phục lại một di sản hơn 600 năm tuổi đã trở về gần như nguyên bản ban đầu.

Hình 1: Máy chụp ảnh DJI Phantom IV RTK

Việc số hóa các bản vẽ thiết kế, hay số hóa hiện trạng các di sản kiến trúc là rất cần thiết – Đây là tư liệu lưu lại như một bản vẽ thiết kế dạng ảnh, dạng số để có thể lưu lại. Để có được hiệu quả cao thì công nghệ Lidar scanner là lựa chọn tối ưu giảm thời gian và công sức, tiết kiệm chi phí.

Công nghệ LiDAR scanner

Công nghệ Lidar được sử dụng lần đầu tiên vào những năm 1960 khi máy quét laser được gắn vào máy bay, nhưng LiDAR vẫn chưa thực sự phổ biến, cho đến những năm 1980, sau khi GPS ra đời, nó mới trở thành một phương pháp phổ biến để tính toán các phép đo không gian địa lý chính xác.

Hình 2: Công nghệ LiDAR scanner bay chụp các đối tượng trên bề mặt trái đất

LiDAR (Light Detection And Ranging) là một thuật ngữ để chỉ một công nghệ viễn thám mới, chủ động, sử dụng các loại tia laser để khảo sát đối tượng từ xa. Dữ liệu thu được của hệ thống là tập hợp đám mây điểm phản xạ 3 chiều của tia laser từ đối tượng được khảo sát. Một hệ thống LiDAR điển hình thường được gắn cố định trên một loại máy bay, nguyên lý hoạt động của hệ thống tương tự như các hệ thống viễn thám chủ động khác. Khi máy bay bay trên vùng cần khảo sát, cảm biến laser sẽ phát ra các chùm tia laser về phía đối tượng, bộ thu nhận tín hiệu laser gắn kèm với cảm biến sẽ thu nhận tín hiệu phản xạ từ đối tượng.

Tùy thuộc vào cảm biến được sử dụng, các đơn vị quét LiDAR có thể bắn hàng trăm nghìn xung mỗi giây. Các sóng ánh sáng này phản xạ lại các vật thể và quay trở lại cảm biến LiDAR. Cảm biến sử dụng thời gian cần cho mỗi xung quay trở lại để tính toán khoảng cách (thời gian bay). Mỗi phép đo hoặc trả về laser xung này có thể được xử lý thành hình ảnh 3D được gọi là “đám mây điểm”.

Hệ thống LiDAR còn có thể được gắn kèm máy ảnh số để đồng thời thu thập ảnh viễn thám (không ảnh) của khu vực khảo sát hoặc các vật thể, cung cấp nguồn dữ liệu rất chi tiết và đầy đủ. Dữ liệu do hệ thống khảo sát được thu thập trực tiếp ở dạng số (digital) làm cho các quá trình tiếp theo vô cùng thuận lợi. Ngoài ra, LiDAR ít phụ thuộc vào điều kiện thời tiết, và các tiến bộ khoa học kỹ thuật nhằm cải tiến thiết bị diễn ra rất nhanh và mạnh mẽ làm cho công nghệ này ngày càng phổ biến và hiệu quả.

Các thiết bị LiDAR có thể bay được ở nhiều độ cao khác nhau và đạt được độ phân giải cao (từ 12cm đến 3cm cho mỗi pixel), đặc biệt là không bị vướng mây như các loại công nghệ khác hay gặp phải.

Công nghệ LiDAR được ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực đặc biệt là trong công tác khảo sát địa hình, khảo cổ, bảo tồn di sản… do có nhiều ưu điểm vượt trội như dữ liệu được thu thập nhanh chóng và độ chính xác cao, LiDAR có ưu thế hơn khi có mật độ mẫu cao hơn nên có thể nâng cao độ chính xác trong khảo sát các công trình kiến trúc[4]. Có khả năng chụp các di sản kiến trúc ở các khu vực có địa hình phức tạp, đặc biệt là hình ảnh thu được không có biến dạng hình học. Không giống như các phương pháp thu thập dữ liệu khác, cảm biến LiDAR không chịu bất kỳ biến dạng hình học nào.

Hình 3: Ảnh chụp bằng công nghệ LiDAR UAV Phantom 4 RTK

Kết quả thử nghiệm tại Việt Nam cho thấy: Công nghệ LiDAR có những tính năng vượt trội rõ rệt so với các công nghệ truyền thống, độ chính xác của các điểm độ cao của mô hình số địa hình có thể đạt tới 0,15m đến 1m.

Sử dụng Lidar UAV Phantom 4 RTK bay chụp để ghi lại hình ảnh của một khu vực xây dựng tạo mô hình số địa hình với độ chính xác về độ cao rất tốt [5]. Công nghệ Lidar scanner như UAV Phantom 4 RTK cung cấp hình ảnh chính xác khi bay ở tốc độ cao, chế dộ bay đa dạng như chế độ bay quan trắc 2D, 3D…

Hình 3 là kết quả chụp ảnh chụp bằng công nghệ UAV Phantom 4 RTK một khu vực tại tỉnh Phú Thọ, kết quả cho thấy tại khu bay chụp có khá nhiều địa vật nhưng do mật độ điểm chụp cao nên hình ảnh không bị biến dạng, độ chính xác đảm bảo yêu cầu.

Ứng dụng công nghệ LiDAR scanner trong xây dựng dữ liệu số bảo tồn di sản kiến trúc

Sử dụng công nghệ LiDAR scanner trong công tác xây dựng cơ sở dữ liệu số bảo tồn di sản kiến trúc đặc biệt là trong quá trình trùng tu các công trình di sản kiến trúc mang lại hiệu quả cao. Đây là một kỹ thuật được những người thực hiện hoặc yêu cầu khảo sát đo đạc kiến trúc quan tâm để khảo cổ học, bảo tồn kiến trúc và lập hồ sơ về các tòa nhà lịch sử, kỹ thuật này cung cấp phương pháp ghi và đo lường hiện có, đồng thời cung cấp các cách mới để hiển thị và trình bày các mối quan hệ không gian.

Hình 4: Sơ đồ quy trình bay chụp

Ngoài việc nêu vai trò của công nghệ LiDAR scanner trong công tác bảo tồn di sản kiến trúc bài báo còn đưa ra quy trình bay chụp xử lý dữ liệu ảnh. Quy trình bay chụp để lưu lại thông tin của công trình được thể hiện trong sơ đồ (hình 4), quá trình này chia thành hai giai đoạn: Thu thập dữ liệu và xử lý dữ liệu. Bài báo điểm qua một vài công tác chính trong quy trình bay chụp bằng công nghệ LiDAR scanner.

Máy thu GPS Esurvey được đặt cố định vào mốc đã có sẵn tọa độ tại khu vực đo đạc, kết nối với sổ tay số để vào chế độ đo tĩnh của máy. Để kiểm tra và lưu trữ dữ liệu thu được từ máy đo, và lấy dữ liệu sau khi đo tĩnh cần kết nối máy GPS với máy tính hoặc smart phone.

Hình 5: Dữ liệu LiDAR thành đại nội Huế

Tạo khu bay và tiến hành bay bằng cách xác định ranh giới bay chụp, công tác này được xác định trên Google Earth, sau đó import vào bộ điều khiển thông qua thẻ nhớ dưới dạng file.kml. Có nhiều định dạng để lựa chọn đường bay như 2D, 3D….[6] Sau khi tạo khu bay và chọn đường bay thì tiến hành cho máy bay chụp. Dữ liệu thu được bao gồm toàn bộ ảnh và các định dạng file thu được từ vệ tinh như BIN, OBS, MRK được lưu trữ trong thẻ nhớ của LiDAR scanner.

Khi có dữ liệu thì tiến hành xử lý ảnh như tính tọa độ tâm ảnh do máy thu tín hiệu vệ tinh GNSS. Hiện nay có nhiều phần mềm xử lý ảnh đang được dùng như UAS Master, Trimble Info, Pix 4D Mapper, Agisoft Metashape[7]. Với công tác sử dụng LiDAR trong bảo tồn di sản kiến trúc thì nên sử dụng phần mềm Agisoft Metashape và máy tính có cấu hình cao.

Một trong các bước lưu ý là cần chọn hệ tọa độ địa phương phù hợp để đưa tọa độ tâm ảnh về VN2000 đối với lãnh thổ Việt Nam và các bước tiếp theo sẽ được thực hiện như sau: Sắp xếp ảnh chụp (Align Photos), tạo dữ liệu đám mây (Build Dence Cloud), tạo mô hình 3D (Build Mesh), sau đó xây dựng các dữ liệu tùy chọn như: Build Texture, Build Tiled Model, Build Dem, Build Othormosaic.

Khảo sát địa hình bằng cách quét laser 3D hỗ trợ quá trình thiết kế tòa nhà

Ngoài ra cũng cần trang bị máy tính có cấu hình cao trong công tác xử lý dữ liệu số bản tồn di sản kiến trúc.

Khi đã có sản phẩm bay chụp có độ chính xác theo yêu cầu thì từ đó có thể xử lý trên phần mềm chuyên ngành để hoàn thiện bản vẽ, dựng 3D phục vụ công tác duy tu bảo tồn hoặc các công tác khác.

Một số đề xuất trong công tác xây dựng dữ liệu số bảo tồn di sản kiến trúc

Công tác xây dựng dữ liệu số bảo tồn di sản kiến trúc cần phải là một bộ dữ liệu đồng nhất, chính xác và dễ truy cập, tra cứu thông tin. Bộ dữ liệu này cũng cần có những quy định, tiêu chí cụ thể trong quá trình xây dựng. Công tác kết nối dữ liệu với các lĩnh vực khác thuộc ngành kiến trúc là cần thiết, đặc biệt là kết hợp trong lĩnh vực bảo tồn thì việc đồng nhất dữ liệu là bắt buộc. Việc lựa chọn công nghệ LiDAR scanner là phương án phù hợp nhất, tiết kiệm chi phí, thời gian [8], có độ chính xác cao và khảo sát bay chụp được ở những khu vực có địa hình phức tạp. Hiện nay, tại Việt Nam hệ thống cơ sở dữ liệu của các ngành đang bắt đầu xây dựng trong môi trường hệ thống thông tin địa lý (GIS), trong khi các dữ liệu thu được từ công nghệ LiDAR scanner thì dễ dàng đưa vào môi trường GIS để quản lý.

CESTI – Ứng dụng công nghệ hiện đại để bảo tồn di tích

TS. Lê Thị Minh Phương – ThS. Nguyễn Thành Len
Khoa Kỹ thuật Hạ tầng và Môi trường Đô thị
Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội
(Bài đăng trên Tạp chí Kiến trúc số 11-2021)

Tài liệu tham khảo

  1. Bình, T.Q., Bảo tồn và phát huy di sản kiến trúc: Những tồn tại và giải pháp. Tạp chí xây dựng, 2021.
  2. Thủ Tướng Chính Phủ, Phê duyệt Định hướng phát triển kiến trúc Việt Nam đến năm 2030, tầm nhìn đến năm 2050. Quyết định số 1246/QĐ-TTg, 2021.
  3. Natalie coleman, F., Incredible 3D Laser Scans Saved in 2015 Could Help Rebuild The Notre Dame. Sciencealert, 2019.
  4. Barber, D.D., Ross & Mills, Jon. (2006). Laser Scanning for Architectural Conservation. Journal of Architectural Conservation. 12. 35-52. 10.1080/13556207.2006.10784959. , Laser Scanning for Architectural Conservation. Journal of Architectural Conservation., 2006. 12: p. 35-52.
  5. https://www.dji.com/phantom-4-rtk.
  6. Young Hoon Jo, S.H., Three-Dimensional Digital Documentation of Cultural Heritage Site Based on the Convergence of Terrestrial Laser Scanning and Unmanned Aerial Vehicle Photogrammetry. Geo-Inf, MPDI, 2019. 8.
  7. https://www.agisoft.com/.
  8. Quagliarini, E., P. Clini, and M. Ripanti, Fast, low cost and safe methodology for the assessment of the state of conservation of historical buildings from 3D laser scanning: The case study of Santa Maria in Portonovo (Italy). Journal of Cultural Heritage, 2017. 24: p. 175-183.