Nghiên cứu ứng dụng công nghệ UAV trong khảo sát thiết kế tuyến đường giao thông

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT PHAN VĂN HIỂU NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ UAV TRONG KHẢO SÁT THIẾT KẾ TUYẾN ĐƯỜNG GIAO THÔNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Hà Nội – 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT PHAN VĂN HIỂU NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ UAV TRONG KHẢO SÁT THIẾT KẾ TUYẾN ĐƯỜNG GIAO THÔNG Ngành: Kỹ thuật trắc địa - đồ Mã số: 8520503 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Trần Quang Học PGS.TS Trần Khánh Hà Nội – 2018 i LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan tồn luận văn tơi nghiên cứu viết ra, hồn tồn không chép tài liệu Các kết nghiên cứu thực nghiệm đưa luận văn hoàn toàn trung thực chưa cơng bố cơng trình Hà Nội, ngày tháng năm 2018 Tác giả Phan Văn Hiểu ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN I MỤC LỤC II DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT V DANH MỤC CÁC BẢNG VII DANH MỤC CÁC HÌNH VIII Tính cấp thiết đề tài Mục đích nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Cấu trúc luận văn Lời cảm ơn CHƯƠNG - TỔNG QUAN VỀ BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH VÀ MƠ HÌNH SỐ ĐỊA HÌNH 1.1 ĐỊNH NGHĨA BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH 1.1.1 Định nghĩa vai trị đồ địa hình 1.1.2 Nội dung đồ địa hình 1.2 ĐẶC ĐIỂM CỦA BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH 1.2.1 Cơ sở tốn học đồ địa hình 1.2.2 Phân loại đồ địa hình 14 1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP THÀNH LẬP BÀN ĐỒ ĐỊA HÌNH 17 1.3.1 Phương pháp đo vẽ trực tiếp 19 1.3.2 Phương pháp đo vẽ trực tiếp sử dụng ảnh hàng không ảnh vệ tinh 19 1.3.3 Thành lập đồ địa hình dạng tuyến cơng trình giao thơng 20 1.4 TỔNG QUAN VỀ MƠ HÌNH SỐ ĐỊA HÌNH (DEM) 23 1.4.1 Khái niệm DEM 23 iii 1.4.2 Phương pháp biểu thị DEM 25 CHƯƠNG - CÔNG NGHỆ UAV VÀ ỨNG DỤNG TRONG THÀNH LẬP BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH TỶ LỆ LỚN 31 2.1 KHÁI QUÁT CÔNG TÁC BAY CHỤP ẢNH HÀNG KHÔNG 31 2.1.1 Khái niệm công tác bay chụp ảnh hàng không 31 2.1.2 Các dạng chụp ảnh hàng không 31 2.1.3 Ảnh số đặc điểm ảnh hàng không kỹ thuật số 36 2.2 ẢNH SỐ VÀ ĐẶC ĐIỂM CỦA ẢNH HÀNG KHÔNG KỸ THUẬT SỐ 37 2.2.1 Khái niệm 37 2.2.2 Độ phân giải ảnh số 38 2.2.3 Các đặc điểm ảnh hàng không kỹ thuật số 39 2.3 THIẾT BỊ BAY UAV 39 2.3.1 Khái niệm UAV 39 2.3.2 Cấu tạo nguyên lý hoạt động hệ thống UAV 41 2.4 CÁC NGUỒN SAI SỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘ CHĨNH XÁC THÀNH LẬP BẢN ĐỒ 45 2,4.1 Sai số ảnh 46 2.4.2 Sai số trình đo ảnh 49 2.4.3 Sai số phương pháp 53 2.5 QUY TRÌNH THÀNH LẬP BẢN ĐỒ SỐ 3D TỪ DỮ LIỆU BAY UAV 54 2.5.1 Bay chụp ảnh 54 2.5.2 Thành lập đồ số 3D 56 CHƯƠNG - KHẢO SÁT ĐỊA HÌNH TUYẾN ĐƯỜNG GIAO THÔNG 58 3.1 CÔNG TÁC KHẢO SÁT ĐỊA HÌNH ĐƯỜNG GIAO THƠNG 58 3.1.1 Khảo sát Lập dự án đầu tư 59 3.1.2 Khảo sát Lập thiết kế kỹ thuật thiết kế kỹ thuật thi công 64 3.2 MỘT SỐ QUY ĐỊNH VỀ ĐỘ CHÍNH XÁC TRONG KHẢO SÁT TUYẾN ĐƯỜNG GIAO THÔNG 72 iv 3.2.1 Độ xác hệ thống lưới khống chế 72 3.2.2 Độ xác đồ địa hình cơng trình 75 3.2.3 Độ xác loại mặt cắt cơng trình 77 3.2.4 Độ xác định vị cơng trình 81 CHƯƠNG 4-THỰC NGHIỆM 82 4.1 GIỚI THIỆU KHU VỰC THỰC NGHIỆM VÀ THIẾT BỊ BAY CHỤP 82 4.1.1 Đặc điểm điều kiện địa hình khu vực khảo sát 82 4.1.2 Mục đích yêu cầu 83 4.1.3 Thiết bị sử dụng 83 4.2 CÔNG TÁC BAY CHỤP HIỆN TRƯỜNG VÀ XỬ LÝ ẢNH 84 4.2.1 Công tác chuẩn bị 84 4.2.2 Thiết kế tuyến bay 84 4.2.2 Đo khống chế ảnh 85 Các điểm khống chế ảnh 85 4.2.4 Kiểm tra độ xác ảnh mơ hình DEM 92 4.3 ĐÁNH GIÁ ƯU NHƯỢC ĐIỂM THÀNH LẬP BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH BẰNG CƠNG NGHỆ UAV 97 4.3.1 Ưu điểm 97 4.3.2 Nhược điểm 97 4.4 ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ UAV 97 4.4.1 Khả triển khai độ xác đạt 97 4.4.2 Ưu nhược điểm công nghệ UAV 98 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 101 Kết luận 101 Kiến nghị 102 TÀI LIỆU THAM KHẢO 104 v DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT STT Ký hiệu Giải thích Unmanned Aerial Vehicle (Máy bay không người lái) UAV Unmanned Aerial System (Hệ thống máy bay không UAS người lái) DTM Digital Terrain Model (Mơ hình số địa hình) DTM Digital Terrain Model (Mơ hình số địa hình) DSM Digital Surface Model (Mơ hình số bề mặt) DEM Digital Elevation Model (Mơ hình số độ cao) MHSĐH DTM(Mơ hình số địa hình) MHSĐC DEM(Mơ hình số độ cao) Grid Grid Network (Lưới dạng ô vuông) 10 TIN Triangular Irregular Network (Lưới tam giác không đều) LiDAR Light Dectection And Ranging (Công nghệ LiDAR) 11 Interferometry Synthetic Apenture Radar (Công nghệ độ 12 IfSAR 13 IMU 14 UTM Universal Transcator Median (Phép chiếu UTM) 15 GPS Global Position System (Hệ thống định vị toàn cầu) 16 DGPS mở tổng hợp giao thoa) Inertial Measurment Units(Thiết bị đo đạo hàng quán tính) Differential Global Position System (Định vị động DGPS) vi Geographic Information System (Hệ thống thông tin địa 17 GIS 18 GCS Global CyberSoft (Trạm điều khiển mặt đất) 19 Pixel Picture element (Đơn vị đo điểm ảnh) 20 CSDL Cơ sở liệu 21 MP Mega pixel (Là số điểm ảnh (pixel) 22 Intergraph Thiết bị đo lập thể chuyên dụng 23 Photomod Phần mềm vẽ ảnh số 24 ArcGIS Dòng sản phẩm hỗ trợ hệ thống thông tin địa lý 25 Solidworks Phần mềm Cad 3D 26 Navigation Dẫn đường 27 Workstation Máy trạm 28 Orthomosaic Ảnh trực giao 29 Point Coloud Mơ hình đám mây điểm 30 Agisoft Phần mềm xử lý ảnh Pix4dmapper 31 lý) Pix4D software(Phần mềm xử lý ảnh) 32 Pix4dcapture Pix4D capture(Phần mềm chụp ảnh) 33 DAĐT Dự án đầu tư vii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1: Khoảng cao đường bình độ đồ địa hình Bảng 2: Sai số trung phương độ cao đường bình độ 16 Bảng 3: Phương pháp biểu thị mặt cong địa hình 26 Bảng 1: So sánh tính loại UAV 41 Bảng 1: Bảng quy định sai số lưới tọa độ cấp hạng (lưới GPS) 73 Bảng 2: Sai số khép tương đối giới hạn 73 Bảng 1: Tọa độ điểm khống chế ảnh, Hệ tọa độ VN2000, Kinh tuyến trục 1050 30’ 00’’, múi chiếu 30 86 Bảng 2: So sánh kết đo kiểm tra mơ hình đo TĐĐT 92 Bảng 3: Độ chênh lệch tọa độ độ cao điểm kiểm tra 93 Bảng 4: Yêu cầu độ xác vị trí điểm mặt 93 viii DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1 : Bản đồ giới Hình 2: Bản đồ phân lớp tiêu chuẩn .6 Hình 3: Phép chiếu Gauss-Kruger 10 Hình 4: Phép chiếu UTM .11 Hình 5: Hệ tọa độ địa lý .12 Hình 6: Hệ tọa độ Gauss .13 Hình 7: Hệ tọa độ UTM .13 Hình 8: Sơ đồ phương pháp thành lập đồ địa hình 17 Hình 9: Mơ hình DEM dạng Raster .23 Hình 10: DEM dạng Vector 24 Hình 11: DEM dạng TIN 24 Hình 12: Mơ hình TIN 25 Hình 13: Quy trình xây dựng DEM từ ảnh lập thể .28 Hình 14 : Quy trình xây dựng DEM từ đường đồng mức 29 Hình 1: Độ phủ dọc ngang ảnh 32 Hình 2: Thiết bị bay chụp khơng người lái eBee 40 Hình 3: Thiết bị bay chụp không người lái MD4-1000 40 Hình 4: Thiết bị bay chụp không người lái Phantom Professional 42 Hình 5: Hệ thống máy ảnh Phantom Professional 43 Hình 6: Thiết bị kết nối điều khiển mặt đất Phantom Professional 45 Hình 7: Sai số méo hình kính vật 46 Hình 8: Ảnh hưởng độ cong mặt đất vị trí điểm ảnh 47 Hình 9: Sự xê dịch điểm ảnh chiết quang khí gây 48 90 - Bước Nắn ảnh (Reference image) Các ảnh chụp với tâm ảnh hệ tọa độ WGS84, cần phải đưa hệ tọa độ VN2000 hệ tọa độ khu vực thông qua điểm khống chế ảnh Trong phạm vi thực nghiệm, tác giả sử dụng điểm khống chế ảnh, có tên từ M1-M8 Hình 9: Vị trí điểm khống chế ảnh khu vực đầu tuyến - Bước Xây dựng đám mây điểm dày đặc (Build Dense cloud) 91 - Bước Xây dựng lưới bề mặt (Build Mesh) - Bước Tạo mơ hình DEM (Build Dem) a Mơ hình DEM khu vực đầu tuyến b Mơ hình DEM tuyến Hình 10: Mơ hình DEM khu vực khảo sát 92 - Bước Tạo ảnh (Build Orthosaic) Hình 11: Ảnh khu vực khảo sát 4.2.4 Kiểm tra độ xác ảnh mơ hình DEM Sau thu ảnh mơ hình số độ cao (DEM), tiến hành đánh giá độ xác ảnh mơ hình DEM so với điểm kiểm tra đo TĐĐT Bảng 2: So sánh kết đo kiểm tra mơ hình đo TĐĐT Tọa độ độ cao đo máy toàn đạc điện tử T.Điểm x(m) x(m) h(m) KT1 2335095.201 586276.493 KT2 2334797.925 KT3 KT4 Tọa độ độ cao đo mô hình x(m) x(m) h(m) 3.510 2335095.230 586276.517 3.528 586174.941 3.537 2334797.919 586174.926 3.566 2334725.506 586150.664 3.385 2334725.497 586150.559 3.459 2334414.590 586045.714 3.401 2334414.696 586045.703 3.491 93 KT5 2334288.025 585991.226 3.379 2334288.042 585991.297 3.313 KT6 2333921.405 585764.644 3.295 2333921.381 585764.568 3.070 KT7 2333734.852 585649.224 3.520 2333734.841 585649.240 3.553 Bảng 3: Độ chênh lệch tọa độ độ cao điểm kiểm tra T.Điểm Độ chênh lệch Ghi KT1 Dx(m) -0.029 Dy(m) -0.024 Dh(m) -0.018 KT2 0.006 0.015 -0.029 KT3 0.009 0.105 -0.044 KT4 -0.056 0.011 -0.060 KT5 -0.017 -0.071 0.016 KT6 0.024 0.076 0.025 KT7 0.011 -0.016 -0.033 Nhận xét đánh giá: Theo tư 68/2015/TT-BTNMT Bộ Tài nguyên Môi trường, quy định sai số trung phương xác định vị trí mặt phẳng điểm địa vật cố định, rõ nét so với điểm khống chế đo vẽ gần không ±0,3mm tỷ lệ đồ, điểm địa vật không rõ ràng không ±0,5mm tỷ lệ đồ Trong thành phố khu công nghiệp, sai số tương hỗ địa vật cố định, quan trọng không lớn ±0,3mm đồ Như độ xác vị trí điểm mặt theo tỷ lệ đồ tính thể bảng 4.4 Bảng 4: Yêu cầu độ xác vị trí điểm mặt Tỷ lệ đồ Loại sai số Sai số điểm địa vật rõ nét (m) 1/500 1/1000 1/2000 1/5000 0.15 0.30 0.60 1.50 0.25 0.50 1.00 2.50 Sai số điểm địa vật không rõ ràng (m) Dựa vào bảng 4.3, so sánh độ lệch tọa độ độ cao điểm đo kiểm tra 94 máy toàn đạc điện tử điểm đo mơ hình, nhận thấy độ lệch tọa độ theo phương x lớn 0.105m, theo phương y -0.056m, mặt độ cao -0.060m Theo bảng 4.4, sai số điểm địa vật tỷ lệ đồ 1/500 với điểm địa vật rõ nét