Tóm tắt luận án tiếng việt: Nghiên cứu công nghệ quét laser mặt đất trong lĩnh vực địa hình và phi địa hình ở Việt Nam.

Nghiên cứu công nghệ quét laser mặt đất trong lĩnh vực địa hình và phi địa hình ở Việt Nam.Nghiên cứu công nghệ quét laser mặt đất trong lĩnh vực địa hình và phi địa hình ở Việt Nam.Nghiên cứu công nghệ quét laser mặt đất trong lĩnh vực địa hình và phi địa hình ở Việt Nam.Nghiên cứu công nghệ quét laser mặt đất trong lĩnh vực địa hình và phi địa hình ở Việt Nam.Nghiên cứu công nghệ quét laser mặt đất trong lĩnh vực địa hình và phi địa hình ở Việt Nam.Nghiên cứu công nghệ quét laser mặt đất trong lĩnh vực địa hình và phi địa hình ở Việt Nam.Nghiên cứu công nghệ quét laser mặt đất trong lĩnh vực địa hình và phi địa hình ở Việt Nam.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

NGÔ SỸ CƯỜNG

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ QUÉT LASER 3CHIỀU MẶT ĐẤT TRONG LĨNH VỰC ĐỊA HÌNH

Công trình được hoàn thành tại Bộ môn Đo ảnh và Viễn thám,Khoa Trắc địa - Bản đồ và Quản lý đất đai,

Trường Đại học Mỏ - Địa chất

Người hướng dẫn khoa học:

PGS.TS Trần Xuân Trường, Trường Đại học Mỏ - Địa chất

Phản biện 1: PGS.TS Bùi Ngọc Quý Phản biện 2: PGS.TS Trịnh Lê Hùng Phản biện 3: TS Nguyễn Dư Khang

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án cấp Trường họp tại Trường Đại học Mỏ - Địa chất,

vào hồi …giờ… ngày….tháng năm 2022

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: Thư viện Quốc gia Hà Nộihoặc Thư viện Trường Đại học Mỏ - Địa chất

MỞ ĐẦU

1.Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay, trong lĩnh vực thu nhận dữ liệu không gian mặt đất việc tích hợp các công nghệ định vị vệ tinh GPS, công nghệ ảnh số, công nghệ laser trao đổi dữ liệu trên nền tảng Internet đang là xu thế phát triển mà tiêu biểu là hệ thống quét laser Việc nghiên cứu một cách khoa học, đầy đủ và hệ thống để sớm đưa công nghệ quét laser 3D mặt đất phục vụ trong lĩnh vực địa hình và phi địa hình một cách rộng rãi đang là sự quan tâm của các nhà khoa học và các nhà quản

lý Với phương pháp luận giải trên, đề tài luận án tiến sĩ: “Nghiêncứu công nghệ quét laser 3 chiều mặt đất trong lĩnh vực địa hình vàphi địa hình ở Việt Nam” đã được lựa chọn xuất phát từ nhu cầu thực

tế và có ý nghĩa thực tiễn.

2.Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

2.1.Mục tiêu: Xác lập cơ sở khoa học và phương pháp luận xây

dựng chương trình phụ trợ trong xử lý dữ liệu quét laser mặt đất Xây dựng quy trình công nghệ quét laser 3D mặt đất cho một số đối tượng phi địa hình.

2.2.Nhiệm vụ: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về công nghệ quét laser

3D mặt đất và các nguồn sai số ảnh hưởng đến độ chính xác; Nghiên cứu thuật toán và tiến hành xây dựng chương trình xử lý dữ liệu quét laser 3D mặt đất; Thực nghiệm kiểm chứng kết quả nghiên cứu.

3.Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1.Đối tượng nghiên cứu: Thành lập mô hình số địa hình khu vực

có địa hình đa dạng và tiến hành đánh giá độ chính xác Lĩnh vực phi địa hình: thành lập các mô hình 3D công trình hang động, tuyến phố cảnh quan, di tích lịch sử văn hóa từ đó mô hình hóa phục vụ phát triển kinh tế xã hội.

3.2.Phạm vi nghiên cứu: Giới hạn trong phạm vi đối tượng địa hình

là khu vực làng Gia Phú xã Bình Dương huyện Gia Bình và đồi Lim thuộc thị trấn Lim huyện Tiên Du - Bắc Ninh Đối tượng phi địa hình là hang Đầu Gỗ thuộc vịnh Hạ Long - Quảng Ninh; tuyến phố cổ Tạ Hiện, Đinh Liệt quận Hoàn Kiếm, Hà Nội và chùa Bửu Long - Hồ Chí Minh và một số cổ vật chùa Bút Tháp tỉnh Bắc Ninh.

4.Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp thống kê; Phương pháp phân tích, tổng hợp; Phương pháp mô hình hóa; Phương pháp thực nghiệm.

5.Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

5.1.Ý nghĩa khoa học: Xây dựng và hoàn thiện một cách đồng bộ,

đầy đủ và khoa học về cơ sở lý thuyết của công nghệ quét laser 3D mặt đất Đề xuất giải pháp, quy trình công nghệ, chương trình phụ trợ để ứng dụng quét laser 3D mặt đất trong việc thu thập và xử lý dữ liệu địa không gian phục vụ xây dựng mô hình số địa hình và một số ứng dụng phi địa hình trong điều kiện thực tiễn ở nước ta.

5.2.Ý nghĩa thực tiễn: Tự động hóa tối đa về thu thập và xử lý dữ

liệu, phát huy ưu thế của công nghệ quét laser 3D mặt đất đáp ứng được yêu cầu về kỹ thuật, chất lượng cũng như kinh phí Phát huy tinh thần độc lập, tự chủ trong nắm bắt lý thuyết và làm chủ công nghệ Đưa ra chương trình lọc điểm và ứng dụng thành công trong việc xử lý dữ liệu quét laser 3D mặt đất phù hợp với điều kiện thực tiễn ở nước ta Thúc đẩy ứng dụng công nghệ mới, phục vụ mục tiêu hiện đại hóa ngành đo đạc bản đồ.

6.Các luận điểm bảo vệ

Luận điểm 1: Sử dụng thuật toán lọc dữ liệu quét bằng bổ sung mô

hình hóa bề mặt và phát triển mô hình TIN tăng cường bộ lọc để xây

dựng chương trình phụ trợ cho phép tự động hóa quá trình xử lý dữ

liệu đám mây điểm, đảm bảo chất lượng cũng như hiệu quả trong việc thành lập mô hình số địa hình.

Luận điểm 2: Đề xuất quy trình công nghệ quét laser 3D mặt đất

phục vụ xây dựng mô hình 3D cho các đối tượng phi địa hình khác nhau một cách đồng bộ, đảm bảo được yêu cầu kỹ thuật về độ chính xác nhằm đáp ứng yêu cầu phát triển kinh tế xã hội ở Việt Nam.

7.Các điểm mới của luận án

Xây dựng chương trình phụ trợ trong xử lý dữ liệu quét laser

3D mặt đất dựa trên thuật toán lọc dữ liệu quét bằng bổ sung môhình hóa bề mặt và phát triển mô hình TIN tăng cường bộ lọc để thể

hiện chính xác mô hình số địa hình (DTM) phù hợp với yêu cầu hiện tại ở Việt Nam.

Đề xuất được quy trình công nghệ quét laser 3D mặt đất xây dựng mô hình 3D cho một số đối tượng phi địa hình.

8.Cấu trúc và nội dung luận án

Phần mở đầu: Giới thiệu tổng quan về luận án, tính cấp thiết,

mục đích, ý nghĩa và tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước về những vấn đề liên quan đến nội dung của luận án Từ đó hình thành phương pháp, nội dung nghiên cứu, đồng thời đưa ra các luận điểm bảo vệ và điểm mới của luận án.

Phần nội dung nghiên cứu chính của luận án được trìnhbày trong 4 chương:

Chương 1: Tổng quan về tình hình nghiên cứu công nghệ quét laser

3D mặt đất trong lĩnh vực địa hình và phi địa hình.

Chương 2: Cơ sở khoa học và các nguồn sai số ảnh hưởng đến kết

quả quét laser 3D mặt đất.

Chương 3: Xây dựng chương trình xử lý dữ liệu quét laser 3D mặt

đất trong lĩnh vực địa hình.

Chương 4: Xây dựng quy trình công nghệ quét laser 3D mặt đất cho

việc khảo sát một số đối tượng phi địa hình.

Phần kết luận và kiến nghị: Tổng hợp lại các vấn đề nghiên

cứu trong luận án, đưa ra kết luận khẳng định kết quả nghiên cứu về công tác tách lọc xử lý dữ liệu đám mây điểm thu thập bằng quét laser 3D mặt đất, đề xuất quy trình công nghệ quét laser 3D mặt đất cho việc khảo sát từng đối tượng phi địa hình cụ thể.

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆQUÉT LASER 3D MẶT ĐẤT TRONG LĨNH VỰC ĐỊA HÌNH

VÀ PHI ĐỊA HÌNH

Trong phạm vi của Luận án này tác giả chỉ tập chung nghiên cứu về công nghệ quét laser 3D mặt đất Công nghệ laser được hình thành và phát triển từ những năm 1960 bởi nhà khoa học Theodore H.Maiman trên cơ sở lý thuyết của Charles Hard Towner và Asthur Leonard Schawlow [76].

Tổng quan về các nghiên cứu công nghệ quét laser 3D mặt đất

1 Trên thế giới

Việc ứng dụng công nghệ quét laser 3D mặt đất trong lĩnh vực địa hình và phi địa hình đã được nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới quan tâm, chủ yếu nghiêng về lĩnh vực ứng dụng phi địa hình.

1.Các nghiên cứu, ứng dụng trong địa hình: Có một số nhà nghiên

cứu như Nora Tilly, Peter Schürch, Andri Baltensweiler vv [30,31]

2.Các nghiên cứu, ứng dụng trong lĩnh vực phi địa hình: Trong các

công trình nghiên cứu của Glenn J Newnham, Francesco Pirotti, Mathieu Dassot, Mohammed Oludare Idrees, Soohee Han và Yusuf Arayici [12,13,14,27,35,36,40].

3.Nghiên cứu, ứng dụng các thuật toán lọc điểm: Các nhà khoa học

đã thực hiện: L.Monika Moskal và Guang Zheng [18], J.Susaki [39].

4. Nghiên cứu và phát triển các phần mềm thương mại: Hãng

TRIMBLE [72], LEICA [73], hãng RIEGL [74], hãng FARO [75] Ngoài ra, vấn đề về độ chính xác quét Laser mặt đất cũng được các nhà khoa học trên thế giới quan tâm giải quyết Nhóm tác giả J.- Angelo Beraldin, François Blais, Uwe Lohr [16], hay nhóm tác giả Balzani, M., Pellegrinelli, A., Perfetti, N., Uccelli, F [10].

Nhìn chung, các vấn đề về công nghệ quét laser mặt đất hiện tại khá đầy đủ Tuy nhiên trong các trình bày này các tác giả chỉ chú trọng đến thông tin khoa học, chưa đưa ra quy trình công nghệ cụ thể và chưa đi sâu phân tích các thuật toán chi tiết Tham khảo những báo cáo khoa học này chỉ là thông tin cơ sở, chủ yếu là tập trung vào các ứng dụng cụ thể, thường khá rời rạc, khó tiếp thu và triển khai.

2.Tổng quan tình hình nghiên cứu ở Việt Nam

Việc sử dụng công nghệ quét 3D mặt đất trong lĩnh vực địa hình và phi địa hình ở nước ta được các nhà khoa học khá quan tâm Năm 2020, tác giả Nguyễn Viết Nghĩa đã thực hiện, thành lập bản đồ mỏ than với độ chính xác cao ứng dụng công nghệ quét laser mặt đất Năm 2019, Bộ Tài nguyên và Môi trường đã ban hành Thông tư 17/2019/TT-BTNMT “Quy định kỹ thuật thành lập mô hình số độ cao bằng công nghệ quét LiDAR mặt đất trên trạm cố định” Năm 2017, tác giả Trần Quốc Vinh đã nghiên cứu kết hợp dữ liệu của máy bay không người lái và máy quét laser mặt đất thành lập bản đồ 3D khu vực đô thị [7] Năm 2015, tác giả Vũ Quốc Lập đã chủ trì đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ quét laser mặt đất nâng cao chất lượng dữ liệu địa không gian nhằm tăng cường năng lực quản lý Nhà nước trong hoạt động khoáng sản” [4].

Việc ứng dụng công nghệ quét laser mặt đất vào mục đích địa hình và phi địa hình không còn xa lạ ở nước ta, tuy nhiên còn chưa hệ thống và đại trà.

Tiểu kết Chương 1

Trong chương này, tác giả đã nêu được lý do lựa chọn công nghệquét Laser 3D mặt đất ứng dụng trong lĩnh vực địa hình và phi địahình, đây là lĩnh vực công nghệ mới ở Việt Nam theo xu hướng cáchmạng công nghệ 4.0;

Chương này trình bày một số lĩnh vực ứng dụng công nghệ quét laser3D mặt đất trong đo vẽ địa hình và phi địa hình Trình bày tổng quanvề tình hình nghiên cứu sử dụng công nghệ quét laser mặt đất ở trênthế giới và Việt Nam Hiện tại ở nước ta mới có nghiên cứu và ứngdụng trong lĩnh vực địa hình, việc ứng dụng trong lĩnh vực phi địahình còn hạn chế Từ đó, tác giả rút ra các vấn đề còn tồn tại sẽđược giải quyết trong luận án.

Chương 2

CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ CÁC NGUỒN SAI SỐ ẢNH HƯỞNGĐẾN KẾT QUẢ QUÉT LASER 3D MẶT ĐẤT

2.1.Nguyên lý hoạt động của hệ thống quét laser mặt đất

2.1.1.Nguyên lý chung

Hình 2.1 Chức năng, thành phần cấu tạo chính thiết bị quét lasermặt đất [62]

1 - khối đo dài; 2 - khối thiết bị quang cơ đầu quay laser; 3 - đường truyền dẫn – thu tín hiệu đo dài; 4 - kênh truyền dữ liệu vào máy tính;

5 - máy tính chuyên dụng.

Hình 2.2 Hệ tọa độ điểm trạm quét laser mặt đất [20]

2.1.2.Nguyên lý hoạt động khối đo dài thiết bị quét laser mặt đất

1.Xác định độ dài khoảng cách bằng phương pháp đo xungHình 2.3 Nguyên lý đo xung xác định độ dài khoảng cách [59]

2.Xác định độ dài khoảng cách bằng phương pháp đo pha

Hình 2.4 Sơ đồ xác định độ dài khoảng cách bằng đo pha [55]

3.Xác định khoảng cách bằng phương pháp đo tam giác quét laser

Hình 2.5 Xác định khoảng cách bằng p.p tam giác quét laser [52]

2.1.3.Nguyên lý hoạt động khối quay thiết bị quét laser mặt đất

1.Chế độ làm việc quay theo bước của thiết bị quét laser mặt đấtHình 2.6 Nguyên lý theo bước định vị ghi góc [52]

2.Chế độ làm việc quay liên tục của thiết bị quét laser mặt đấtHình 2.7 Nguyên lý định vị ghi liên tục góc [52]

2.2.Các nguồn sai số ảnh hưởng đến kết quả quét laser mặt đất

2.2.1.Phân loại các sai số quét laser mặt đất

Tất cả các sai số của các đại lượng đo khi quét laser mặt đất có thể chia thành hai nhóm:

1.Sai số thiết bị tạo nên bởi chất lượng chế tạo lắp ráp và hiệu chỉnh các bộ phận quang học, cơ học, điện tử của thiết bị quét, bao gồm: Độ ổn định làm việc của thiết bị quét laser mặt đất; Độ chính xác làm việc của khối đo dài; sai số của các khối đo góc Các sai số này được thể hiện trong hồ sơ lý lịch của thiết bị quét ngay trong quá trình chế tạo lắp ráp và được kiểm định theo định kỳ.

2.Sai số phương pháp mà chính các đại lượng đo do phương pháp xác định bằng thiết bị quét laser mặt đất Các sai số phương pháp do môi trường xung quanh tạo nên khi thực hiện quét laser; Các sai số phương pháp do các đặc tính của các đối tượng quét tạo nên.

Ngoài ra còn có các sai số trong quá trình thực hiện chuyển đổi tọa độ; sai số trong quá trình chuyển đổi dữ liệu.

2.2.2.Các sai số phương pháp khi quét laser mặt đất

1.Ảnh hưởng môi trường xung quanh tạo nên khi quét laser mặt đất:

Bao gồm ảnh hưởng của các yếu tố (khí quyển, khúc xạ, sóng điện từ suy giảm, độ rung của thiết bị ) Để xác định hệ số khúc xạ của các sóng điện từ có tính đến các số liệu khí tượng khi quét vật thể

E - độ ẩm tuyệt đối không khí, đơn vị đo gram/m3; T - nhiệt độ không khí, đơn vị đo Kelvin;

nG - hệ số khúc xạ chuẩn khí quyển tính theo công thức [61]:

2.Sai số do các đặc tính của các đối tượng quét tạo nên:

Ảnh hưởng đến kết quả quét laser mặt đất cho thấy những tính chất cơ bản của đối tượng quét là: hình dáng và khả năng phản xạ, trong đó được xác định bằng cấu tạo vật chất và màu Ảnh hưởng của đối tượng đo vẽ đến độ chính xác nhận được thông tin không gian, trong đó chủ yếu xuất hiện về độ sai của các khoảng cách đo Quá trình truyền xung laser vào không gian rất phức tạp Hàm tín hiệu vào có dạng chung như sau: Ở đây: Fvào (t) – là hàm tín hiệu vào;

D (φ, υ) – φ, υ) – ) – là hàm mô tả thay đổi từ nguồn phát laser đến các

điểm khác nhau của đối tượng địa vật (phản ảnh hình dáng địa vật); Kph.xa (φ, υ) – là hàm mang đặc tính hệ số phản xạ tín hiệu ) – là hàm mang đặc tính hệ số phản xạ tín hiệu từ các điểm khác nhau địa vật;

ψ (φ, υ) – là hàm mang đặc tính hệ số phản xạ tín hiệu ) - là hàm mô tả phân bố tín hiệu trong không gian, đại lượng phân tán tia laser;

ɳ(t) - là hàm mang đặc tính thành phần nhiễu kết quả quét.

3. Ảnh hưởng các tham số quét và các đặc tính máy quét đến độ

chính xác kết quả đo vẽ

Khi thực hiện quét laser mặt đất cần xác định các đặc tính của trạm quét laser mặt đất bao gồm: Độ phân giải quét đứng và quét ngang cực đại; độ dài sóng bức xạ laser; độ chính xác đo cạnh, đo các góc đứng và ngang; độ phân tán của tia laser.

4.Sai số trong quá trình thực hiện chuyển đổi tham chiếu dữ liệu

Sai số liên quan đến việc thu nhận, phản hồi dữ liệu của tia quét từ các địa vật ở dạng đám mây điểm để quy về hệ tham chiếu trắc địa Các yếu tố ảnh hưởng này sẽ được mô tả khá chi tiết đến chất lượng dữ liệu [25].

5.Sai số trong quá trình chuyển đổi khuôn dạng dữ liệu

Số liệu đám mây điểm thường có các định dạng chuẩn như: e57, ptx, pts, fls, lfc…mỗi hãng sản xuất máy quét tạo ra một định dạng chuẩn riêng, các phần mềm xử lý số liệu của nhà sản xuất thứ ba muốn sử dụng số liệu phải thực hiện quy trình chuyển đổi Đây cũng là điểm cần hết sức lưu ý trong quá trình xử lý và trao đổi dữ liệu.

Tiểu kết Chương 2

Công nghệ quét laser mặt đất hoạt động trên nền tảng của khoa họckỹ thuật và công nghệ tin học phát triển, nó khẳng định sự vượt trộiso với các công nghệ truyền thống khác và góp phần tăng cường,hiện đại hóa ngành đo đạc, bản đồ và thông tin địa lý; Nội dungnghiên cứu của chương này góp phần bổ sung, hoàn thiện một số vấnđề về cơ sở lý thuyết của quét laser mặt đất phục vụ việc giảng dạy,nghiên cứu khoa học cũng như phát triển những ứng dụng vào thựctiễn sản xuất ở nước ta;

Thông qua việc phân tích, đánh giá nguồn sai số ảnh hưởng đến kếtquả quét laser mặt đất nhận thấy sai số trong quá trình thực hiệnchuyển đổi tọa độ có ảnh hưởng lớn và mang tính hệ thống đến độchính xác của đám mây điểm Từ đó làm cơ sở đưa ra giải pháp xử lýyêu cầu về chất lượng dữ liệu thu thập và lựa chọn thiết bị phù hợpkhi thực hiện những mục đích công việc khác nhau.

Dữ liệu thu được từ quá trình quét laser mặt đất lớn và đa dạng, đểphục vụ cho mục đích địa hình và phi địa hình thì cần phải cóchương trình phụ trợ cho phép tự động hóa quá trình xử lý dữ liệuđám mây điểm, đảm bảo chất lượng mô hình Vấn đề này được giảiquyết ở chương tiếp theo.

Chương 3

XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH XỬ LÝ DỮ LIỆU QUÉTLASER 3D MẶT ĐẤT TRONG LĨNH VỰC ĐỊA HÌNH

3.1.Thuật toán lọc điểm từ dữ đám mây điểm thành lập DEM

Để phân loại lớp bề mặt đất và không bề mặt đất (lớp địa vật) có nhiều thuật toán lọc nhằm tối tự động hóa trong quá trình lọc điểm Thuật toán này được phân nhóm theo 3 tiêu chí cơ bản đó là [35]:

 Cơ sở dựa vào độ dốc – đỉnh địa hình

 Cơ sở mô hình toán địa mạo

 Cơ sở bề mặt phủ