Tính cấp thiết của đề tài
Công nghệ Viễn thám và ảnh số đang phát triển mạnh mẽ trên toàn cầu, với nhiều thiết bị thu nhận hình ảnh có độ phân giải cao Việc thu nhận hình ảnh có thể thực hiện từ cự ly gần vài chục mét đến hàng trăm kilômét Hiện nay, có nhiều phương pháp thu nhận hình ảnh mặt đất, bao gồm chụp ảnh vệ tinh, chụp ảnh hàng không bằng máy bay có người lái, máy bay không người lái (UAV) và công nghệ quét LiDAR.
Trong lĩnh vực công nghệ, có nhiều phương pháp đã được ứng dụng lâu dài và một số mới nổi gần đây Mỗi công nghệ đều có ưu điểm và nhược điểm riêng, và việc áp dụng cần phù hợp với từng ngành Phát triển hạ tầng giao thông là lĩnh vực quan trọng, ảnh hưởng đến nhiều ngành và góp phần vào sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước cũng như tăng trưởng kinh tế Để lựa chọn hướng tuyến dự án giao thông tối ưu, công tác đo vẽ bản đồ địa hình là không thể thiếu Tại Việt Nam, nhiều phương pháp tiên tiến đã được áp dụng để tạo ra bản đồ số, trong đó công nghệ chụp ảnh hàng không, đặc biệt là bằng máy bay có người lái, đã được triển khai từ lâu và liên tục cải tiến Tuy nhiên, công nghệ này vẫn gặp một số nhược điểm như chi phí cao, phụ thuộc vào thời tiết và không cập nhật thường xuyên Để khắc phục, công nghệ chụp ảnh bằng máy bay không người lái (Flycam / Drone / UAV) đang phát triển mạnh mẽ và cần được nghiên cứu sâu rộng để tận dụng tốt các đặc điểm kỹ thuật của nó trong việc lập bản đồ, đặc biệt là bản đồ địa hình cho các tuyến đường giao thông.
Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu và đánh giá đặc điểm kỹ thuật của hệ thống bay chụp ảnh không người lái Phantom 4 Professional của DJI giúp xác định khả năng ứng dụng công nghệ này trong việc đo đạc bản đồ địa hình cho các tuyến đường giao thông Thông qua thử nghiệm tại một số dự án của đơn vị, bài viết sẽ làm rõ hiệu quả và tiềm năng của công nghệ UAV trong lĩnh vực này.
Phương pháp nghiên cứu
- Phạm vi không gian nghiên cứu: Đề tài được thực hiện trên một số dự án chuyên ngành giao thông
Đề tài nghiên cứu tập trung vào ứng dụng công nghệ bay chụp ảnh bằng máy bay không người lái để đo đạc bản đồ địa hình tuyến đường giao thông, đặc biệt trong bối cảnh Việt Nam Việc áp dụng công nghệ này không chỉ nâng cao độ chính xác của dữ liệu địa hình mà còn tiết kiệm thời gian và chi phí trong quá trình khảo sát Nghiên cứu sẽ phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả của công nghệ UAV trong việc thu thập thông tin địa lý, từ đó đề xuất giải pháp tối ưu cho việc phát triển hạ tầng giao thông tại Việt Nam.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Nghiên cứu lý thuyết trong luận văn kết hợp với kết quả thực nghiệm có ý nghĩa quan trọng trong việc ứng dụng thực tiễn sản xuất Việc thành lập mô hình số mặt đất và bản đồ địa hình dạng tuyến tỷ lệ lớn tại Việt Nam sẽ mang lại nhiều lợi ích thiết thực cho các đơn vị và nhiệm vụ liên quan.
Ứng dụng công nghệ UAV trong đo đạc mang lại khả năng thực hiện các phép đo chi tiết mà không cần lập lưới khống chế, đồng thời đảm bảo độ chính xác cao đáp ứng yêu cầu kỹ thuật cho bản đồ tỷ lệ lớn Phương pháp này sở hữu nhiều ưu điểm vượt trội so với các phương pháp đo vẽ bản đồ truyền thống.
Ứng dụng công nghệ UAV trong đo đạc mang lại phương pháp khoa học, đáp ứng nhu cầu tự động hóa trong việc vẽ bản đồ Công nghệ này phù hợp với tổ chức và quản lý dữ liệu trong các hệ thống quản trị dữ liệu máy tính.
Ứng dụng công nghệ UAV mang lại hiệu quả kinh tế cao trong việc đo vẽ bản đồ tỷ lệ lớn, đặc biệt là bản đồ địa hình tại Việt Nam Với những tính năng ưu việt, kỹ thuật đo UAV đã trở thành phương pháp mới được áp dụng rộng rãi trong các cơ quan khảo sát và đo đạc thuộc các ngành như Giao thông, Xây dựng, Thủy lợi, Nông nghiệp và Địa chính.
Cấu trúc luận văn
Ngoài phần mở đầu và kết luận, kết cấu của Luận văn được trình bày trong 4 chương gồm:
Chương 1 - Tổng quan về bản đồ địa hình và mô hình số địa hình
Chương 2 – Công nghệ UAV và ứng dụng trong công tác thành lập bản đồ tỷ lệ lớn
Chương 3 – Khảo sát địa hình tuyến đường giao thông
TỔNG QUAN VỀ BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH VÀ MÔ HÌNH SỐ ĐỊA HÌNH
ĐỊNH NGHĨA BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH
1.1.1 Định nghĩa và vai trò của bản đồ địa hình
Bản đồ địa hình là mô hình đồ họa thể hiện bề mặt địa lý, giúp người dùng dễ dàng nhận thức thông tin và đo đạc chính xác Nó hiển thị tọa độ, độ cao và khoảng cách giữa các điểm, đồng thời phản ánh các yếu tố địa lý dưới dạng định tính, định lượng và trạng thái Bản đồ cũng ghi chú các địa danh, cung cấp cái nhìn tổng quát và chi tiết về địa hình.
Bản đồ địa hình thể hiện các đối tượng trên bề mặt trái đất, nhưng không hiển thị tất cả thông tin mà chỉ bao gồm một lượng dữ liệu nhất định Lượng thông tin này phụ thuộc vào các yếu tố như không gian, thời gian và mục đích sử dụng của bản đồ.
Hình 1 1 : Bản đồ thế giới
1.1.1.2 Vai trò bản đồ địa hình
Bản đồ địa hình giúp chúng ta quan sát và hiểu rõ các đặc điểm của bề mặt trái đất, bao gồm hình dáng, kích thước và vị trí tương quan của các đối tượng địa lý Thông qua bản đồ này, người dùng có thể nắm bắt được các yếu tố địa hình một cách trực quan và chi tiết.
Bản đồ địa hình cung cấp thông tin quan trọng về tọa độ, phương hướng, diện tích, độ cao và độ dốc, giúp xác định các đặc trưng địa lý Nó còn chứa đựng dữ liệu về đại lượng, số lượng và cấu trúc của các đối tượng, cũng như mối liên hệ giữa chúng Chính vì vậy, bản đồ địa hình đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển dân sinh và kinh tế của con người.
Trong lĩnh vực xây dựng công nghiệp, bản đồ đóng vai trò quan trọng ở nhiều giai đoạn, bao gồm thiết kế kỹ thuật, chuyển giao thiết kế ra thực địa, hoàn thiện công trình và theo dõi hoạt động cũng như tác động của công trình đến môi trường xung quanh.
Trong lĩnh vực xây dựng thủy lợi, cải tạo đất, quy hoạch đồng ruộng và chống xói mòn, bản đồ địa hình đóng vai trò quan trọng trong việc quy hoạch nền kinh tế quốc gia Đặc biệt trong lâm nghiệp, bản đồ địa hình là công cụ thiết yếu cho việc bảo vệ và quy hoạch rừng hiệu quả.
Nghiên cứu khoa học về địa chất và thăm dò tìm kiếm bắt đầu từ bản đồ địa hình và kết thúc với các bản đồ chuyên đề Các kết quả nghiên cứu được thể hiện và chính xác hóa trên bản đồ, góp phần làm phong phú thêm nội dung của bản đồ.
Trong mục đích quân sự bản đồ dùng để nghiên cứu, bố trí trận địa, các căn cứ bảo vệ tổ quốc và đặc biệt là pháo binh
Với một số loại bản đồ có tỷ lệ lớn từ 1:5000 - 1:500 nó có công dụng sau:
- Thiết kế chi tiết mặt bằng cho thành phố, bố trí hệ thống cấp thoát nước điện dân dụng và các công trình khác khi xây dựng thành phố
Lập bản đồ thiết kế kỹ thuật và bản đồ khái quát cho các cảng và xí nghiệp công trình thủy điện là rất quan trọng Việc xác định các tuyến đường và kênh mương cần thiết phải dựa trên yêu cầu kỹ thuật cụ thể Tùy thuộc vào từng dạng công việc, các loại tỷ lệ bản đồ phù hợp sẽ được lựa chọn để đảm bảo tính chính xác và hiệu quả trong quá trình thực hiện.
1.1.2 Nội dung của bản đồ địa hình
Nội dung bản đồ địa hình được xác định dựa trên ý nghĩa, tác dụng và các yêu cầu cụ thể của bản đồ Việc xác định nội dung này đóng vai trò quan trọng trong quá trình biên tập và thành lập bản đồ.
Những yếu tố cơ bản của nội dung bản đồ bao gồm [2]:
- Cơ sở Toán học, Dân cư, Thủy hệ, Giao thông, Thực vật, Ranh giới, Địa hình
Cơ sở toán học trong lĩnh vực bản đồ bao gồm hệ thống tỷ lệ bản đồ, phép chiếu bản đồ, Ellipsoid dùng để định vị, hệ tọa độ, hệ độ cao, mạng lưới kinh vĩ tuyến, lưới kilomet, mạng lưới các điểm khống chế trắc địa, khung bản đồ, sơ đồ bố cục và phân mảnh đánh số.
Các địa vật định hướng là những đối tượng khu vực giúp xác định vị trí nhanh chóng và chính xác trên bản đồ, bao gồm các tòa nhà cao, nhà thờ và cột cây số Ngoài ra, còn có những địa vật không nhô cao nhưng dễ nhận biết như ngã ba, ngã tư đường và giếng ở ngoài vùng dân cư.
Hình 1 2: Bản đồ phân lớp tiêu chuẩn
Các điểm dân cư là yếu tố quan trọng trên bản đồ địa hình, cần thể hiện đặc trưng quy hoạch và cấu trúc Tỷ lệ bản đồ lớn cho phép thể hiện chi tiết hơn, trong khi tỷ lệ nhỏ yêu cầu tổng quát hóa Trên bản đồ tỷ lệ lớn, các điểm dân cư được biểu thị tỉ mỉ và khép kín bằng ký hiệu tương ứng Ngoài ra, các công trình công cộng như nhà máy, trụ sở ủy ban và bưu điện cũng cần phản ánh tính chất kinh tế, xã hội và văn hóa của chúng.
Các yếu tố thủy hệ được thể hiện chi tiết trên bản đồ địa hình, bao gồm các đường bờ biển, hồ, sông, ngòi, mương, kênh và rạch Mỗi loại đường bờ được biểu thị chính xác theo đặc điểm riêng, đồng thời cũng thể hiện các công trình phụ thuộc vào thủy hệ như bến cảng, trạm thủy điện và đập Ngoài ra, sự biểu thị các yếu tố này còn được bổ sung bằng các đặc trưng về hướng dòng chảy và độ rộng.
Trên bản đồ địa hình, mạng lưới đường được thể hiện chi tiết để phản ánh khả năng giao thông và trạng thái của các tuyến đường Tùy thuộc vào tỷ lệ bản đồ, cần thể hiện đúng mật độ, hướng, vị trí và chất lượng của đường Việc lựa chọn các tuyến đường cần đảm bảo mối liên hệ giữa các điểm dân cư, ga xe lửa, bến tàu và sân bay Đặc biệt, trên bản đồ tỷ lệ lớn, tất cả các loại đường như đường sắt, đường ô tô, đường rải nhựa, đường đất và đường mòn đều phải được biểu thị một cách rõ ràng.
Bản đồ địa hình thể hiện các loại rừng, vườn cây, đồn điền, ruộng, đồng cỏ, và tài nguyên như cát, đất mặn, đầm lầy Ranh giới của các khu thực vật và loại đất được thể hiện bằng đường nét đứt hoặc dãy dấu chấm, bên trong có các ký hiệu quy ước đặc trưng Việc thể hiện ranh giới này cần chính xác về mặt đồ họa, rõ ràng ở những chỗ ngoặt có ý nghĩa định hướng.
ĐẶC ĐIỂM CỦA BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH
1.2.1 Cơ sở toán học bản đồ địa hình
Cơ sở toán học của bản đồ địa hình là yếu tố quan trọng để đảm bảo độ chính xác và tính nhất quán của bản đồ, đáp ứng nhu cầu sử dụng và khả năng ghép nối nhiều mảnh bản đồ lại với nhau.
1.2.1.1 Phép chiếu Để biểu thị các yếu tố địa hình, địa vật lên mặt phẳng tờ bản đồ sao cho chính xác, ít bị biến dạng nhất ta phải sử dụng phép chiếu bản đồ thích hợp Các yếu tố địa hình, địa vật là tập hợp của vô số điểm có quy luật nhất định trong không gian và ta chỉ cần biểu thị một số đặc điểm đặc trưng rồi dựa vào quy luật đó để nội suy, khái quát hóa các điểm khác
Khi chọn hệ quy chiếu, cần đặc biệt chú ý giảm thiểu tối đa ảnh hưởng của biến dạng phép chiếu đối với kết quả thể hiện các yếu tố trên bản đồ.
Hiện nay, tại Việt Nam, có hai phép chiếu đẳng góc chính được áp dụng cho bản đồ địa hình, đó là phép chiếu Gauss-Kruger (theo hệ HN72) và phép chiếu UTM (theo hệ VN2000) Phép chiếu Gauss-Kruger có những đặc điểm riêng biệt giúp xác định chính xác vị trí địa lý trên bản đồ.
- Là phép chiếu đồng góc
- Kinh tuyến giữa của múi 6 o là các đoạn thẳng có độ dài bằng độ dài của kinh tuyến thực và vuông góc với xích đạo
- Các kinh tuyến khác là các đoạn cong khum quay bề lõm về kinh tuyến giữa và đối xứng với nhau qua kinh tuyến giữa của mỗi múi
Hình 1 3: Phép chiếu Gauss-Kruger
- Xích đạo sau khi chiếu là đoạn thẳng vuông góc với kinh tuyến giữa
Các vĩ tuyến là những đường cong khum, được giới hạn bởi hai kinh tuyến biên của mỗi múi, với bề lõm hướng về phía hai cực và đối xứng qua đường xích đạo.
Kinh tuyến giữa là đường chuẩn không có biến dạng, với giá trị biến dạng (ko) bằng 1 Khi di chuyển xa khỏi đường chuẩn, mức độ biến dạng sẽ tăng lên Biến dạng lớn nhất xảy ra tại giao điểm giữa xích đạo và hai kinh tuyến biên.
Lãnh thổ Việt Nam chủ yếu nằm trong múi thứ 18 với kinh tuyến giữa là 105°Đ, ngoại trừ một số khu vực như Mường Tè, Đà Nẵng và Bình Thuận Vì vậy, việc sử dụng phép chiếu hình Gauss làm cơ sở toán học cho bản đồ địa hình trong hệ HN72 là hoàn toàn hợp lý.
Để đảm bảo độ chính xác trong việc thành lập bản đồ địa hình, chúng ta sử dụng phép chiếu hình Gauss với múi chiếu 6 độ cho tỷ lệ 1:10.000 và nhỏ hơn, trong khi phép chiếu Gauss với múi chiếu 3 độ hoặc nhỏ hơn được áp dụng cho bản đồ tỷ lệ lớn từ 1:5.000 đến 1:500 Ngoài ra, phép chiếu UTM cũng được sử dụng trong quá trình này.
Hình 1 4: Phép chiếu UTM Đặc điểm:
- Là phép chiếu đồng góc
Kinh tuyến giữa của múi 6° là các đoạn thẳng, trong khi các kinh tuyến khác là những đoạn cong khum, với bề lõm hướng về kinh tuyến giữa và có sự đối xứng qua kinh tuyến này của mỗi múi.
Xích đạo là đường thẳng vuông góc với kinh tuyến giữa, trong khi các vĩ tuyến khác là những đường cong hướng về hai cực và đối xứng qua xích đạo.
- Hình chiếu của các kinh tuyến vuông góc với hình chiếu của các vĩ tuyến
Hai đường kinh tuyến chuẩn nằm ở hai phía của kinh tuyến trục trên đường chuẩn không bị biến dạng, và biến dạng tăng dần khi xa đường chuẩn, đạt mức lớn nhất tại giao điểm của xích đạo với hai kinh tuyến biên và kinh tuyến giữa (k0 = 0,9996) Hiện nay, để thuận tiện cho việc sử dụng hệ tọa độ chung trong khu vực và toàn cầu, hệ tọa độ quốc gia mới VN-2000 đã chuyển sang sử dụng phép chiếu UTM thay cho phép chiếu Gauss.
Phép chiếu UTM có ưu điểm nổi bật so với phép chiếu hình Gauss, đó là độ biến dạng được phân bố đồng đều và có trị số nhỏ Tỷ lệ độ dài trên kinh tuyến trục được xác định là k0=0,9996, trong khi đó, hai kinh tuyến biên có tỷ lệ lớn hơn 1.
1.2.1.2 Hệ tọa độ Để xác định vị trí của các điểm trên bề mặt trái đất, trong trắc địa - bản đồ đã sử dụng nhiều hệ toạ độ khác nhau a Hệ toạ độ địa lý ( , )
Trong hệ tọa độ địa lý, Trái Đất được hình dung như một hình cầu với gốc tọa độ tại tâm O Hai mặt phẳng tọa độ cơ bản là mặt phẳng xích đạo và mặt phẳng chứa kinh tuyến gốc Greenwich Tọa độ địa lý của một điểm M được xác định bởi cặp giá trị (ϕ, λ).
+ : vĩ độ địa lý, là góc hợp giữa phương của đường dây dọi qua M và hình chiếu của nó trên mặt phẳng xích đạo, = 0 o 90 o
+ : kinh độ địa lý, là góc nhị diện hợp bởi mặt phẳng kinh tuyến đi qua điểm M và mặt phẳng kinh tuyến gốc, = 0 o 180 o
Việt Nam tọa lạc hoàn toàn trong khu vực Bắc bán cầu và phía Đông của kinh tuyến Greenwich, do đó mọi điểm trên lãnh thổ Việt Nam đều có vĩ độ Bắc và kinh độ Đông.
Trên mảnh bản đồ địa hình người ta biểu thị mạng lưới kinh vĩ tuyến và toạ độ địa lý ở đường khung
Hình 1 5: Hệ tọa độ địa lý b Hệ toạ độ phẳng vuông góc Gauss (X,Y)
CÁC PHƯƠNG PHÁP THÀNH LẬP BÀN ĐỒ ĐỊA HÌNH
Hình 1 8: Sơ đồ các phương pháp thành lập bản đồ địa hình
Thành lập bản đồ địa hình ở Việt Nam có nhiều hướng [7, 9]:
Thành lập bản đồ địa hình bằng phương pháp biên vẽ chuyển tiếp từ bản đồ địa hình có tỷ lệ lớn hơn đã được đo vẽ gần đây và bản đồ có tỷ lệ nhỏ hơn.
- Thành lập bản đồ địa hình bằng phương pháp đo vẽ trực tiếp ngoài thực địa
- Thành lập bản đồ địa hình bằng phương pháp đo vẽ trực tiếp sử dụng ảnh hàng không hoặc ảnh vệ tinh
Thành lập bản đồ địa hình có thể thực hiện bằng cách sử dụng phương pháp biên vẽ chuyển tiếp từ bản đồ địa hình có tỷ lệ lớn hơn vừa mới được đo vẽ và các bản đồ có tỷ lệ nhỏ hơn.
Thành lập bản đồ địa hình bằng phương pháp biên vẽ chuyển tiếp được tiến hành khi:
Khu vực cần biên vẽ đã có bản đồ địa hình với tỷ lệ lớn hơn, được thành lập gần đây, đảm bảo độ tin cậy và chính xác về cơ sở toán học, cũng như đáp ứng các yêu cầu nội dung theo quy định và ký hiệu hiện hành.
Phương pháp này sử dụng bản đồ tỷ lệ lớn đã được chuyển đổi sang tỷ lệ nhỏ hơn, kết hợp biên vẽ với tổng quát hóa để đảm bảo nội dung trên bản đồ nhỏ vẫn chính xác và hợp lý Việc này giúp duy trì dung lượng bản đồ đúng theo quy phạm và ký hiệu hiện hành.
Hiện nay, việc thành lập bản đồ hoàn toàn trên máy tính vẫn gặp nhiều khó khăn do những bất cập trong biên vẽ, khiến quá trình tổng hợp và lựa chọn nội dung vẫn phải thực hiện trên giấy Mặc dù các công đoạn khác có thể thực hiện trên máy tính, công nghệ kết hợp đang trở nên phổ biến hơn so với công nghệ truyền thống Ưu điểm của phương pháp này là tốc độ nhanh chóng, độ chính xác cao, và khả năng thực hiện hoàn toàn trong phòng làm việc với các dụng cụ truyền thống Tuy nhiên, nhược điểm là phương pháp chỉ áp dụng được cho khu vực đã có bản đồ địa hình tỷ lệ lớn hơn, và độ chính xác của bản đồ phụ thuộc vào chất lượng của tài liệu gốc và phương pháp chuyển vẽ.
1.3.1 Phương pháp đo vẽ trực tiếp Đo vẽ bản đồ địa hình là tập hợp các công việc trong nhà và ngoài trời nhằm xác định vị trí tương quan về mặt phẳng và độ cao của các điểm đặc trưng ở ngoài thực địa Phương pháp này chủ yếu áp dụng cho khu vực cần thành lập bản đồ tỷ lệ lớn và lập sơ đồ hoặc phục vụ công tác thiết kế thi công cho từng công trình cụ thể Tiến độ thi công chậm nhưng chính xác thích ứng với khu vực trên ảnh hàng không bị thực vật che phủ, phương pháp đo vẽ là toàn đạc, có sử dụng các máy kinh vĩ quang học, toàn đạc điện tử
1.3.2 Phương pháp đo vẽ trực tiếp sử dụng ảnh hàng không và ảnh vệ tinh Đây là công nghệ được sử dụng chủ yếu trong công nghệ thành lập bản đồ hiện nay Từ nguồn tư liệu là ảnh máy bay kết hợp với mạng lưới trắc địa, tiến hành các công việc là địa hình, thủy văn, giao thông, dân cư, ranh giới, thực vật Trong phương pháp này địa vật được thành lập chủ yếu dựa trên cơ sở giải đoán và đo vẽ hình ảnh của địa vật có trên ảnh Quá trình khái quát, lựa chọn tổng hợp nội dung được thực hiện phần lớn ở ngay khâu điều vẽ Vì vậy công tác điều vẽ là công tác vô cùng quan trọng, công việc này đòi hỏi người điều vẽ phải có sự hiểu biết về địa hình, địa vật cũng như các nguyên tắc khái quát, lựa chọn tổng hợp nội dung theo quy định của quy phạm và ký hiệu hiện hành
Phương pháp đo ảnh tương tự sử dụng hình ảnh từ máy chụp ảnh quang học để tái tạo mô hình của đối tượng, từ đó đo đạc các yếu tố hình học Đây là một phương pháp cổ điển, từng phổ biến trong việc đo đạc và vẽ bản đồ trước năm 2000, nhưng hiện nay đã gần như không còn được sử dụng.
Phương pháp đo ảnh giải tích sử dụng nguyên lý và quy trình công nghệ tương tự như phương pháp đo ảnh tương tự, nhưng khác biệt ở chỗ nó áp dụng tính toán để hiển thị điều kiện giao hội của các tia chiếu trong không gian, thay vì sử dụng phương pháp giao hội quang cơ Với công thức tính toán chặt chẽ, phương pháp này đạt độ chính xác cao Hiện nay, vẫn còn một số cơ sở sản xuất tại Việt Nam áp dụng phương pháp đo ảnh giải tích.
Phương pháp đo ảnh số sử dụng nguyên lý cơ bản của đo ảnh giải tích, chuyển đổi độ xám của ảnh thành tín hiệu điện Sau đó, các tín hiệu này được xử lý bằng máy tính và phần mềm chuyên dụng, từ đó thực hiện quá trình tự động đo vẽ ảnh.
Phương pháp đo ảnh số đang ngày càng phổ biến tại Việt Nam nhờ khả năng tự động hóa cao và hiệu quả kinh tế trong việc đo vẽ bản đồ Trong tương lai, phương pháp này dự kiến sẽ dần thay thế các phương pháp đo ảnh truyền thống.
Hiện nay, phương pháp thành lập bản đồ từ ảnh hàng không phổ biến theo công nghệ đo vẽ ảnh sử dụng trạm Image Station của Intergraph
1.3.3 Thành lập bản đồ địa hình dạng tuyến trong các công trình giao thông
1.3.3.1 Thu thập bản đồ tỷ lệ nhỏ lựa chọn hướng tuyến [7,10]
Thu thập bản đồ tỷ lệ nhỏ như 1:50.000, 1:25.000 hoặc 1:10.000, sau đó điều chỉnh chúng về hệ tọa độ địa phương theo quy định Tiếp theo, xác định hướng tuyến cho phương án dự kiến và các phương án so sánh.
Rà soát các quy định liên quan đến yếu tố tuyến đường, bao gồm bình diện, độ dốc dọc, độ dốc ngang và các điều kiện liên quan trong phòng Tiến hành đối chiếu với hiện trường để điều chỉnh và hoàn thiện phương án tuyến một cách hiệu quả.
1.3.3.2 Lập lưới khống chế cơ sở hạng IV
Dựa trên hướng tuyến sơ bộ đã được chọn trên bản đồ tỷ lệ nhỏ, đơn vị khảo sát thực hiện các bước triển khai chi tiết để đảm bảo tính chính xác và hiệu quả trong quá trình khảo sát.
Đưa các điểm khống chế cơ sở cấp cao của Nhà nước ở vùng lân cận theo hướng tuyến dự kiến lên bản đồ, bao gồm tọa độ ĐCCS hạng III và độ cao từ hạng III trở lên.
TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH SỐ ĐỊA HÌNH (DEM)
Hình 1 9: Mô hình DEM dạng Raster
Mô hình số độ cao (Digital Elevation Model - DEM) là sự biểu thị bằng số về sự thay đổi liên tục của độ cao trong không gian, bao gồm độ cao tuyệt đối của các điểm trên bề mặt trái đất, độ cao của các tầng đất và mực nước ngầm DEM còn được biết đến với nhiều tên gọi khác như Mô hình địa hình số (Digital Terrain Model - DTM), Dữ liệu địa hình số (Digital Terrain Data - TDD) và Dữ liệu độ cao địa hình số (Digital Terrain Elevation Data - DTED) Ngoài việc thể hiện địa hình, DEM còn có thể được áp dụng để mô tả sự thay đổi liên tục trong không gian hai chiều của các thông số môi trường khác.
DEM được lưu trữ khác nhau thùy thuộc vào kiểu số liệu là Raster hay Vector DEM dạng Raster
Trong mô hình Raster DEM (Grid): ma trận các ô vuông gồm các hàng và cột Mỗi một ô (Cell) chứa giá trị độ cao của điểm trung tâm của ô
Trong cấu trúc Vector, DEM được xem như một lưới tam giác không đều, gọi là TIN (Triangle Irregular Network) TIN là tập hợp các đỉnh được kết nối thành các tam giác, mỗi tam giác được xác định bởi ba điểm có tọa độ x, y và z (độ cao).
Biểu diễn mô hình TIN:
Hình 1 12: Mô hình TIN Đặc điểm của mô hình TIN
-TIN biểu diễn một bề mặt liên tục từ những tập hợp điểm rời rạc phân bố bất kì
-TIN: tập hợp các điểm nối với nhau thành những tam giác- tạo nên bề mặt ba chiều
Mỗi điểm trong vùng biểu diễn sẽ nằm trên đỉnh, cạnh hoặc bên trong một tam giác của lưới tam giác Nếu điểm không phải là đỉnh, giá trị hình chiếu của nó được xác định thông qua phép nội suy tuyến tính, sử dụng hai điểm khác nếu điểm đó nằm trên cạnh, hoặc ba điểm nếu nó nằm trong tam giác.
- Mô hình TIN là mô hình tuyến tính trong không gian 3 chiều
Mô hình TIN (Triangulated Irregular Network) là một phương pháp hiệu quả trong việc xây dựng bề mặt địa hình Mật độ điểm trên bề mặt tỉ lệ thuận với độ biến đổi của địa hình, trong đó bề mặt phẳng có mật độ điểm thấp, trong khi địa hình đồi núi lại có mật độ điểm cao hơn.
1.4.2 Phương pháp biểu thị DEM
Giá trị độ cao địa hình trong một khu vực có thể được mô hình hóa theo nhiều phương pháp khác nhau Mô hình độ cao số (DEM) có thể được thể hiện và lưu trữ dưới dạng hàm số toán học ba chiều, hay còn gọi là phương trình mặt phẳng, hoặc dưới dạng các điểm và đường hình ảnh, như được liệt kê trong bảng dưới đây.
Bảng 1 3: Phương pháp biểu thị mặt cong địa hình
Toàn vùng Dãy Fourier Đa thức bậc bốn bội
Chi tiết Chia vùng đồng đều
Chia vùng không đồng đều
B Phương pháp vật thể bản đồ Đường đồng mức (đường bình độ ngang) Đường mặt cắt dọc Điểm (ma trân độ cao) hay mạng lưới đều (Regular rectangular grid, GRID)
Vector: Mạng không đều tam giác (Triangualr irregualar network, TIN)
Phương pháp toán học để biểu thị mặt cong địa hình chủ yếu sử dụng các hàm số ba chiều, cho phép mô phỏng các mặt địa hình phức tạp với độ nhẵn cao Quy trình này chia vùng mô phỏng thành các miếng nhỏ hình vuông hoặc hình dạng tùy ý có diện tích tương tự, với độ cao của từng miếng được ước lượng từ các điểm quang trắc trong khu vực đó Để đảm bảo sự liên tục của độ dốc qua các đường biên giữa các miếng, các hàm số đối trọng được áp dụng Mặc dù các hàm số xấp xỉ rời rạc ít được sử dụng trong việc thành lập bản đồ số, chúng lại rất phổ biến trong các hệ thống máy tính hỗ trợ thiết kế (CAD).
1.4.2.2 Phương pháp vật thể bản đồ
Phương pháp truyền thống trong bản đồ học để biểu diễn bề mặt địa hình là sử dụng đường bình độ, hay còn gọi là đường đồng mức Tất cả các điểm nằm trên cùng một đường đồng mức đều có giá trị độ cao giống nhau.
Phương pháp sử dụng mặt cắt dọc để biểu diễn độ cao rất hữu ích trong việc phân tích độ dốc của khu vực nghiên cứu Tuy nhiên, hai phương pháp sử dụng đường trên không phù hợp cho việc phân tích dữ liệu trong GIS Do đó, phương pháp phổ biến nhất trong hệ thống GIS là áp dụng mô hình lưới đều GRID (Regular Rectangular Grid) hoặc lưới tam giác không đều TIN (Triangular Irregular Network).
Mô hình lưới đồng đều, hay còn gọi là ma trận độ cao, được tạo ra từ phân tích lập thể ảnh hàng không hoặc nội suy từ lưới dữ liệu quan trắc độ cao Với khả năng xử lý ma trận dễ dàng, dữ liệu GRID trở nên phổ biến trong các hệ GIS dạng raster Trong mô hình raster này, địa hình được chia thành các ô (cell) dựa trên hàng và cột, mỗi ô chứa độ cao của điểm trung tâm Ma trận độ cao được sử dụng để xây dựng đường đồng mức, tính toán độ dốc, hướng dốc và xác định đường biên của các lưu vực sông.
Tuy vậy, phương pháp lưới đồng đều này có các nhược điểm sau:
Tồn tại số lượng dữ liệu không cần thiết tại các vùng có địa hình đồng nhất;
Không có khả năng thích ứng để biểu thị các vùng có địa hình phức tạp trừ lúc thay đổi toàn bộ kích thước ma trận
Lưới đồng đều không thể phản ánh chính xác các vùng địa hình có sự thay đổi đột ngột như khe vực, hố lồi lõm và sông ngòi, dẫn đến khả năng gây nhầm lẫn trong quá trình đánh giá kết quả phân tích địa hình.
TIN là một phương pháp hiệu quả và tiết kiệm, sử dụng mô hình tam giác không đều để biểu diễn cấu trúc địa hình Mỗi tam giác trong mô hình TIN được xác định bởi ba điểm đặc trưng về tọa độ X, Y và độ cao Z, tạo thành một bề mặt ba chiều với độ dốc và hướng dốc rõ ràng TIN cho phép biểu diễn bề mặt liên tục từ các điểm dữ liệu rời rạc, đồng thời cung cấp thông tin về độ dốc, diện tích và hướng Hình 1.9 minh họa cấu trúc mô hình TIN, trong khi hình 1.10 cho thấy ứng dụng thực tế của mô hình này, khi cần điều chỉnh kích thước lưới theo sự thay đổi của dữ liệu.
1.4.2.3 Phương pháp xây dựng DEM
Phương pháp chụp ảnh lập thể:
- Dùng các công cụ chuyên dụng chụp ảnh để thu thập dữ liệu của một vùng với các giá trị x,y,z của các điểm trên bề mặt quả đất
- Phương pháp này đòi hỏi ký thuật cao trong việc chụp và xử lý ảnh , đòi hỏi số điểm kiểm soát nhiều
- Ví dụ: ảnh hàng không kỹ thuật số
Xây dựng Mô hình độ cao số (DEM) từ đường đồng mức là phương pháp chuẩn trong môi trường GIS Để tạo ra DEM cho một khu vực, cần có thông tin địa hình sẵn có và thực hiện các bước như đo KCA, xác định các điểm độ cao đặc trưng, và sử dụng ảnh hàng không kỹ thuật số thu nhận từ thiết bị bay không người lái (UAV).
Xử lý ảnh, tăng dầy KCA
Bình đồ ảnh, DSM, Poincloud
Tách lọc độ cao mặt đất từ poincloud và DSM, kết hợp cao độ đo bằng các phương pháp truyền thống
Hình 1 13: Quy trình xây dựng DEM từ ảnh lập thể
Hình 1 14 : Quy trình xây dựng DEM từ đường đồng mức 1.2.2.4 Các sản phẩm ứng dụng của DEM
Sản phẩm ứng dụng DEM trong GIS bao gồm nhiều công cụ hữu ích như biểu đồ khối và lát cắt dọc, ngang để phân tích địa hình Tính toán thể tích các khối giúp đánh giá khối lượng đất và nước trong khu vực Bản đồ độ dốc, độ lồi, độ lõm và hướng dốc hỗ trợ trong việc xác định đặc điểm địa hình Đường quan sát nhìn thấy cho phép người dùng nắm bắt được tầm nhìn trong không gian 3D Bản đồ đường đồng mức cung cấp thông tin về độ cao, trong khi bản đồ địa hình tô bóng mặt khuất giúp hình dung rõ hơn về cấu trúc địa hình Cuối cùng, việc xác định đường biên của lưu vực sông ngòi và vùng tiêu nước là rất quan trọng trong quản lý tài nguyên nước.
1.2.2.5 Cơ sở toán học và độ chính xác a) Cơ sở toán học
- Mô hình số độ cao được thành lập theo Hệ quy chiếu và Hệ tọa độ quốc gia
Số hóa các đường đồng mức ( Số hóa tự động quét ảnh hoặc Số hóa bằng thủ
Raster hóa các đường đồng mức
Nội suy các đường đồng mức đã được raster hóa
Xây dựng mô hình TIN
Hệ tọa độ quốc gia VN-2000, bao gồm múi chiếu và kinh tuyến trục, được thực hiện theo quy định tại Thông tư số 973/2001/TT-TCĐC, ban hành ngày 20 tháng 6 năm 2001 bởi Tổng cục Địa chính, nhằm hướng dẫn áp dụng hệ quy chiếu trong công tác đo đạc và bản đồ.
- Hệ độ cao sử dụng trong việc xây dựng mô hình số độ cao là hệ độ cao quốc gia hiện hành
CÔNG NGHỆ UAV VÀ ỨNG DỤNG TRONG THÀNH LẬP BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH TỶ LỆ LỚN
KHÁI QUÁT CÔNG TÁC BAY CHỤP ẢNH HÀNG KHÔNG
2.1.1 Khái niệm về công tác bay chụp ảnh hàng không
Chụp ảnh là quá trình ghi lại năng lượng hoặc bức xạ ánh sáng từ đối tượng thông qua ống kính của máy ảnh, và dữ liệu này được lưu trữ trên cảm quang hoặc các bộ cảm biến số.
Chụp ảnh hàng không là kỹ thuật sử dụng các thiết bị bay như khinh khí cầu, tàu lượn và máy bay để ghi lại hình ảnh mặt đất từ trên cao Sản phẩm của quá trình này là những bức ảnh có tỷ lệ phù hợp, phục vụ cho việc đo đạc và lập bản đồ Những tấm ảnh này cũng giúp người dùng xác định và phân tích các địa vật xuất hiện trong ảnh, từ đó hỗ trợ trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
Có 2 loại máy chụp ảnh chuyên dụng được sử dụng trong quá trình chụp ảnh hàng không là máy chụp ảnh tương tự (chụp phim) và máy chụp ảnh số [9]
2.1.2 Các dạng chụp ảnh hàng không
Công tác bay chụp đóng vai trò quan trọng trong việc lập bản đồ bằng phương pháp đo ảnh Để đạt được kết quả tốt nhất, công việc này thường được thực hiện trong điều kiện thời tiết thuận lợi, với bầu trời trong xanh và ít mây Điều này giúp tránh tình trạng các đám mây che khuất chi tiết địa hình và địa vật trên bề mặt thực địa trong ảnh chụp.
Dựa theo giá trị sử dụng của ảnh chụp và phương thức chụp, người ta chia ra các hình thức chụp ảnh sau:
Chụp ảnh đơn là phương pháp ghi lại từng vùng nhỏ của khu vực đo bằng các tấm ảnh riêng biệt, không có liên kết hình học giữa các tấm ảnh kề nhau Kỹ thuật này thường được áp dụng trong các cuộc điều tra khảo sát, do thám quân sự và các khu vực tương đối nhỏ, cũng như để bổ sung cho những khu vực chụp sót hoặc thiếu sót.
Chụp ảnh theo tuyến là phương pháp chụp ảnh theo một lộ trình đã được xác định trước Các bức ảnh liền kề trên tuyến này có sự chồng lấp với nhau, được gọi là độ phủ dọc, ký hiệu là p, và được tính bằng phần trăm (%) của kích thước tấm ảnh.
Trong đó: l - kích thước của tấm ảnh; l x - kích thước của phần phủ theo hướng dải bay
Hình 2 1: Độ phủ dọc và ngang của các tấm ảnh
Diện tích chồng lên nhau của hai tấm ảnh kề nhau trong cùng một đường bay được gọi là diện tích phủ dọc (overlap)
Diện tích chồng phủ giữa hai loạt tấm ảnh trong hai dải bay liền kề nhau được gọi là diện tích phủ bên (sizelap)
Độ phủ dọc thường được quy định là 60% và độ phủ ngang khoảng 30% Tuy nhiên, trong từng trường hợp cụ thể, tùy thuộc vào loại địa hình và yêu cầu sử dụng ảnh, các tỷ lệ này có thể thay đổi, nhưng không được nhỏ hơn các giá trị đã nêu.
Chụp ảnh theo tuyến được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như dân sự, quân sự và nghiên cứu khoa học, đặc biệt trong khảo sát các đối tượng tuyến tính như hệ thống giao thông, thủy văn và thủy lợi Trong đo vẽ địa hình, phương pháp này cho phép bố trí các dải bay chặn theo hướng vuông góc với các dải bay chụp theo nhiều tuyến, từ đó giảm thiểu số điểm khống chế ngoại nghiệp và nâng cao hiệu quả kinh tế.
Chụp ảnh theo khối, hay còn gọi là chụp ảnh theo diện tích, là phương pháp chụp ảnh sử dụng nhiều tuyến dải bay thẳng, song song và cách đều nhau Các tấm ảnh kề nhau trong cùng dải bay được liên kết bằng độ phủ dọc p, trong khi độ phủ ngang giữa các tấm ảnh trên hai dải bay kề nhau được ký hiệu bằng q Độ phủ ngang này được xác định theo một công thức cụ thể.
Trong đó: l - kích thước tấm ảnh; ly - kích thước phần phủ của hai ảnh trên 2 dải bay kề
Độ phủ dọc thường được quy định là 60% và độ phủ ngang khoảng 30% Tuy nhiên, trong những trường hợp cụ thể, tùy thuộc vào loại địa hình và yêu cầu sử dụng ảnh, các tỷ lệ này có thể thay đổi nhưng không được nhỏ hơn các giá trị đã nêu.
Chụp ảnh theo tỷ lệ là một kỹ thuật quan trọng trong nhiếp ảnh, được phân chia thành ba loại chính: tỷ lệ lớn, tỷ lệ trung bình và tỷ lệ nhỏ Việc lựa chọn tỷ lệ phù hợp giúp tạo ra những bức ảnh có sự cân đối và hài hòa, thu hút sự chú ý của người xem.
Khi chụp ảnh hàng không, tỷ lệ ảnh phụ thuộc vào độ cao bay Hbc và tiêu cự kính vật f k Đối với chụp nghiêng, ngoài Hbc và f k, tỷ lệ ảnh còn bị ảnh hưởng bởi góc nghiêng a của trục quang so với đường dây dọi và tung độ y của điểm ảnh.
Tỷ lệ ảnh thường được chia thành ba loại: tỷ lệ lớn, khi tỷ lệ trung bình lớn hơn 1:10.000; tỷ lệ trung bình, với tỷ lệ từ 1:10.000 đến 1:30.000; và tỷ lệ nhỏ, khi tỷ lệ trung bình nhỏ hơn 1:30.000.
Quan hệ giữa tỷ lệ ảnh chụp và tỷ lệ bản đồ cần thành lập được thể hiện bằng công thức:
Trong đó: m - mẫu số tỷ lệ của ảnh hàng không
Hệ số C trong các nghiên cứu lý luận và thực tiễn thường được chọn trong khoảng từ 130 đến 400, tùy thuộc vào loại tỷ lệ bản đồ cần thiết và phương pháp lập thể cũng như thiết bị kỹ thuật sử dụng.
M - mẫu số tỷ lệ bản đồ cần thành lập
2.1.2.2 Yêu cầu kỹ thuật trong quá trình bay chụp
Khi thiết kế kế hoạch bay chụp, ngoài việc chọn tỷ lệ chụp, độ cao bay và tiêu cự máy ảnh, cần tính toán các thông số kỹ thuật cơ bản khác để đảm bảo chất lượng hình ảnh.
+ Tính cạnh đáy chụp ảnh Bx: a
+ Tính khoảng cách giữa 2 dải bay kề By: a
ẢNH SỐ VÀ ĐẶC ĐIỂM CỦA ẢNH HÀNG KHÔNG KỸ THUẬT SỐ
Ảnh số là một mảng hai chiều gồm các điểm ảnh (pixel) có kích thước đồng nhất, mỗi pixel được xác định bởi tọa độ hàng, tọa độ cột và độ xám Độ xám của pixel thường được mã hóa bằng 8 bit, cho phép 256 mức độ xám Đối với ảnh màu, ba kênh R, G, B được sử dụng, mỗi kênh cũng có tối đa 256 mức độ xám Do đó, ảnh màu có thể chứa tối đa 16.777.216 màu sắc, yêu cầu 24 bit để mã hóa một pixel.
Mỗi điểm ảnh tương ứng với một pixel được mô tả bằng hàm số: F(x,y,D) với các biến là tọa độ điểm ảnh (x,y) và giá trị độ xám của nó (D)
Giá trị hàm F được giới hạn trong khoảng các số nguyên dương, với điều kiện 0 < F < Fmax, trong đó Fmax đại diện cho lượng thông tin tối đa có thể lưu trữ, cụ thể là Fmax = 256 đối với ảnh 8 bit.
Mỗi thành phần màu cơ bản trong một bức ảnh màu, bao gồm màu đỏ (R), màu lục (G) và màu lam (B), được biểu diễn thông qua các hàm số ảnh thành phần Cụ thể, các hàm này được định nghĩa như sau: r(x,y,Dr) cho màu đỏ, g(x,y,Dg) cho màu lục, và b(x,y,Db) cho màu lam.
Trong đó: Dr, Dg, Db là giá trị độ xám tương ứng với ba thành phần màu cơ bản
Ảnh số được định nghĩa là một ma trận giá trị độ xám với n cột và m hàng Các phần tử trong ma trận này là những điểm ảnh rời rạc, và tọa độ của mỗi điểm ảnh được xác định bởi một số nguyên dương nằm trong khoảng từ 1 đến n cho cột và từ 1 đến m cho hàng.
1 < X
