Báo cáo " THU NHẬN ẢNH BẰNG MÁY BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI PHỤC VỤ CÔNG TÁC THÀNH LẬP BẢN ĐỒ " pptx

HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011 103 THU NHẬN ẢNH BẰNG MÁY BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI PHỤC VỤ CÔNG TÁC THÀNH LẬP BẢN ĐỒ Phan Thị Anh Thư (1) , Lê Văn Trung (2) (1) Bộ môn Địa tin học – Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM (2) Trung tâm Địa tin học - Khu Công nghệ Phần mềm- ĐHQG Tp.HCM Abstract: Unmanned Aerial Vehicles (UAV) photogrammtry for mapping is a new solution and being utilized widely in some developed countries. It is considered a high efficient method when mapping in comparison to the traditional photogrammetry. This paper introduces a high resolution remote imaging system using model helicopter that is often used (vertical take-off and landing) and discuses about the results of testing the UAV that is navigated autonomously using differential GPS (DGPS) for mapping. The primary results show that this UAV can flight at low altitude changing (from 10m to 300m)and allow the high resolution image acquisition following the computed ‘waypoints’, due to its high manoeuvrability and its capability to navigate with high precision to the predefined acquisition points. The proposed system is not only applied in the field of geomatics but also open a new way for increasing the range of its applications in the natural resource management and environmental monitoring. Keywords: Unmanned Aerial Photogrammatry, Falcom PARS, Small Format Photography. 1. GIỚI THIỆU Thuật ngữ Hệ thống bay không người lái (UAS - Unmanned Vehicle Systems) được thế giới sử dụng khá phổ biến để thể hiện việc ứng dụngcác thiết bị bay không người lái (UAV- Unmanned Aerial Vehicle) để giám sát bề mặt trái đất, thu nhận ảnh phục vụ công tác thành lập bản đồ[1]. Ưu thế của công nghệ này chi phí thấp, hình ảnh thu được nhanh, thường xuyên với độ chính xác cao và dễ dàng tạo dữ liệu 3D đáp ứng đúng thời điểm yêu cầu thu nhận thông tin. Những kết quả nghiên cứu trên thế giới cho thấy hệ thống viễn thám sử dụng máy bay trực thăng ở cao độ thấp từ 10m đến 300m là giải pháp tối ưu, thường được sử dụng phục vụ công tác thành lập bản đồ [2]. Hiện nay, loại trực thăng mô hình 8 cánh quạt (UAV) có giá thành thấp và có thể bay cân bằng ở độ cao từ 10m đến 300m,dễ dàng thay đổi hướng bay theo yêu cầu thông qua tín hiệu radio của người điều khiểntừ mặt đất. Nếu trực thăng mô hình được tích hợp với thiết bị định vị toàn cầu GPS/INS (Global Positioning System / Inertial Navigation System) và máy thu ảnh kỹ thuật số (Digital Camera) sẽ cho phép tạo thành hệ thống thu nhận ảnh độ phân giải cao. Mô hình cơ bản của hệ thống đã được thử nghiệm áp dụng trong công tác khảo sát, thành lập bản đồ, tạo ảnh 3D phục vụ quản lý đô thị, giám sát môi trường, cứu hộ cứu nạn,… và đã được đánh giá rất hiệu quả [3] do nhỏ gọn, linh hoạt, trực thăng có thể cất và hạ cánh trên một khu vực nhỏ hẹp, cho phép truyền hình ảnh trực tiếp về mặt đất với độ phân giải cao. Hiện nay, ưu thế củaH ệ thốngFalcom – PARS (Photogrammetry and Aerial Remote- sensing System) [4] đã được thể hiện bởi phát triển các chức năng phục vụ thành lập bản đồ khá hoàn chỉnh,bao gồm:bay theo chế độ thông thường thường hoặc chế độ lái tự động, cho phép chụp ảnh theo những vị trí đã biết trước tọa độ (waypoints);ảnh thu nhận được xử lý tự động đểtạo nhanh và chính xác ảnh trực giao, DSM,… phục vụ công tác thành lập bản đồ. 2. THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG THU NHẬN ẢNH HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011 104 2.1. Hệ thống UAV Hệ thống được xây dựng trên cơ sở sử dụng loại trực thăng không người lái có sẵn trên thị trường AscTec Falcon 8, có giá thành thấp, bay ổn định và có thể mang được thiết bị chụp ảnh (nhập từ Cộng Hòa Liên Bang Đức) [7]. UAV (AscTec Falcon 8) Bộ điều khiển từ xa Thiết bị GPS Hình 1: Máy bay không người lái và các phụ kiện Tổng trọng lượng cất cánh tối đa của máy bay là 1.8 kg, thời gian bay là 20 – 30 phút (giới hạn bởi dung lượng pin); có thể bay chụp ảnh trong điều kiện tốc độ gió đến 10m/s và tần số truyền hình ảnh từ máy bay về trạm mặt đất là 5.8 GHz và tín hiệu điều khiển máy bay từ bộ điều khiển từ xa là 2.4 GHz.Giải pháp DGPS được áp dụng trong định vị UAV, cho phép xác định vị trí hình ảnh được thu nhận một cách chính xác. Nhờ vào thiết bị này máy bay có thể tìm đến đúng vị trí đã được thiết kế sẵn (về mặt bằng và độ cao) để tiến hành giám sát và truyền ảnh và tạo ảnh trực giao theo yêu cầu.Để phục vụ giám sát mặt đất, người điều khiển sẽ đưa UAV đến vị trí thích hợp để thu thập dữ liệu ảnh cần thiết hoặc thiết lập chế độ bay tự động dựa trên các thông số đã biết trước (các điểm waypoints).Công tác “thiết kế phi vụ bay” bao gồmchuẩn bị các thông số cần thiết cho quá trình bay chụp. Sử dụng bản đồ nền dạng số có tỷ lệ nhỏ hơn tỷ lệ bản đồ cần thành lập để đưa vào chương trình làm cơ sở cho việc thiết kế như: khu vực cần bay chụp ảnh, độ cao bay, tọa độ những vị trí cần thu nhận ảnh (đã được tính toán trước) … Đây là cơ sở để chương trình điều khiển thiết bị UAV ghi nhận hình ảnh tại vị trí đã thiết kế (thông qua định vị GPS). Hình 2: Thiết kế phi vụ bay trên máy tính cá nhân 2.2. Thực nghiệm ứng dụng UAV phục vụ công tác thành lập bản đồ Bản đồ của khu vực Đại Học Quốc Gia TP. Hồ Chí Minh được sử dụng để xác định khu vực cần tiến hành bay chụp, thiết kế tuyến bay và các thông số điều khiển để thiết bị có thể tự động bay thu nhận ảnh theo yêu cầu như sau: - Số lượng dãi bay: 4 - Số lượng tờ ảnh: 38 - Độ cao bay chụp: 100m HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011 105 - Tọa độ tâm ảnh (các điểm waypoints) UAV sẽ thực hiện chính xác thu nhận ảnh tự động theo tọa độ (định vị nhờ GPSkết hợp với bộcân bằng quán tính tự động IMU - Inertial Measurement Unit)sao cho đảm bảo độ phủ ngang (tạo ảnh 3D) và độ phủ dọc (tạo liên kết ảnh) Trạm base (GPS) được đặt tại một điểm đã biết trước tọa độ nhằm nâng cao độ chính xác định vị tâm ảnh (radio link đến thiết bị UAV). Quy trình thực nghiệm thu nhận ảnhđược thể hiện qua sơ đồ thể hiện trong hình 3: Hình 3: Quy trình thu nhận ảnh sử dụng UAV Hệ thống có thể vận hành theo 2 chế độ: (1) bay chụp tự động theo các điểm waypoints đã được cài đặt sẵn, hoặc (2) bay chụp thông qua thiết bị điều khiển đặt trên mặt đất để thu nhận hình ảnh. Trong chế độ tự động, chip GPS (gắn trong UAV) sẽ thu nhận tính hiệu từ các vệ tinh đồng thời nhận được các số cải chính từ trạm base, để tự động điều chỉnh vị trí của thiết bị bay đúng toạ độ thiết kế thu nhận ảnh. Quá trình này sẽ được thực hiện liên tục đến khi nào kết thúc các vị trí được yêu cầu, ng ười sử dụng bộ điều khiển từ xa sẽ tác động (tín hiệu điều khiển là 2.4 GHz) đưa thiết bị đáp xuống theo vị trí xuất phát ban đầu. Do giới hạn thời gian bay (20 phút/một pin cung cấp năng lượng để UAV hoàn tất nhiệm vụ), đối với khu vực rộng cần tiến hành bay nhiều lần để thực hiện tiếp tục các tuyến bay còn lại theo thiết kế. Ảnh được thu nhận bởi máy ảnh Ricoh GX 200 dưới dạng các fileảnh riêng lẻcó có kích thước 4000 x 3000 pixel với độ phân giải không gian là 3.3 cm. Thiết kế phi vụ bay Điều khiển từ mặt đất Xử lý ảnh bằng phần mềm chuyên dụng Kiểm tra kết quả xử lý ảnh Phạm vi khu vực bay Sản phẩm: ảnh trực giao, mô hình DSM, Đánh giá kết quả Tham số bay Tự động (waypoints) 10 6 3. Đ bở i sát Bả n 6 Hình 4: Ả n Đ ÁNH GI Á So với p h i sự ảnh hưở n bề mặt trái đ 1) Nhờ k h vị trí b a giải ph á làm ch ủ là ảnh m sản ph ẩ giám s á địa hìn h Thủ tụ c (nhỏ, g ọ đất là 5 tần số đ n g 1: So sá n Kế h Độ c Phạ m Độ p Th u 2) Ứng d ụ trong g i kiện đị a khó tiế p ra các s phù hợ p H Ộ R10 2 n h thu nhận Á KẾT QU Ả h ương pháp t n g của các đ đ ất, thu nhậ n h ả năng bay a y đã được x á p tối ưu ch o ủ công nghệ m àu dạng s ố ẩ m chuyên đ á t môi trườ n h , địa chính v c pháp lý c h ọ n, nhẹ, độ c .8 GHz và t đ ược phép s ử n h đ ặc điểm g h oạch bay c ao bay m vi thu nhậ n p hân giải ản h u nhận ảnh ụ ng hệ thốn g i ám sát và t h a hình và rấ t p cận. Chươ n s ản phẩm n h p theo yêu c ầ Ộ I THẢO Ứ N 2 4490 tại Khu côn g Ả THỬ NG H t ruyền thốn g đ iều kiện th ờ n ảnh phục v ụ cân bằng tạ i x ác định tr ư o việc giám trinh sát và ố ,rất thuận l ợ đ ề, ảnh 3D p n g, cứu hộ c ứ v à trinh sát t h o việc ứng c ao thấp <3 0 t ín hiệu điề u ử dụng phổ b g iữa phươn g Phư ơ Bán t ự 1 – 1 0 n ảnh >1k m h cm - m Bán t ự g máy b ay k h u nhận nha n t hiệu quả t r n g t r ình xử l h ư ảnh trực g ầ u ứng dụn g N G DỤNG GI S g nghệ phầ n H IỆM HỆ T g (tốn rất nh i ờ i tiết)việc ứ n ụ công tác t h i m ột điểm v ư ớc theo tọa sát, thu nh ậ thu ảnh ở đ ộ ợ i trong việ c p hục vụ quả n ứ u nạn,… đ t rong quân s d ụng hệ th 0 0m) có tần u khiển máy b iến hiện na y g pháp truy ề ơ ng pháp tru y ự động 0 k m m 2 m ự động k hông ngườ i n h thông tin r ong giám s l ý ảnh tự độ g iao, mô hì n g . S TOÀN QU Ố n mềm - Đại T HỐNG T H i ều thời gia n n g d ụng thiế t h ành lập bản v à có thể di độ, nên lo ạ ậ n hình ảnh m ộ cao thấp t ừ c giải đoán ả n lý đô thị, ặc biệt là ứ n s ự. ống khá đơ n số truyền h ì bay từ bộ đ y . ề n thống và s y ền thống T m T i lái đã tạo r với giá thà n át các khu v ng cho phé p n h DSM, ản h Ố C 2011 R1024491 học Quốc g i H U NHẬN Ả n v à chi phí c t bị b ay khô n đồ có nhiều chuyển the o ạ i trực thăn g m ặt đất kh u ừ 10m đến 3 0 nh, tạo ảnh t quản lý tài n n g d ụng tro n n giản, vì l à ì nh ảnh từ m đ iều khiển t ừ s ử dụng UA V Ứng dụn g T ự động 10 - 300 m 1 m 2 - km 2 m m T ự động - b á n r a một giải p n h thấp, linh v ực và đối t ư p liên kết nh a h 3D cho m ộ i a (29/03/2 0 Ả NH c ũng như bị n g người lái ưu t h ế như s o m ọi hướn g g không ng ư u vực nhỏ (g 0 0m). Ảnh t h tr ực giao, t ạ n guyên thiê n n g thành lậ p à máy bay m m áy bay về t r ừ xa là 2.4 G V g UAV n t ự động p háp công n hoạt trong m ư ợng mà c o a nh các ảnh ộ t khu vực r ộ 0 10) hạn chế để giám s au: g từ một ư ời lái là óp phần h u được ạ o ra các n nhiên, p bản đồ m ô hình r ạm mặt G Hz là 2 n ghệmới m ọi điều o n người đơn tạo ộ ng hơn (a) cất ph â vớ i nh ậ th ủ ph ụ nạ n 4. K thấ p 3D Mô hình D S 3) Để đán h côngtá c so sán h hiện tr ê V map : t ọ V test : tọ Tổng b ì Trong đ • e i : sa i • e n : s a Sai số tr u Tương t Kết quả t và hạ cánh t â n giải cao v i độ chính x ậ n ảnh sử d ụ ủ y sinh, phâ n ụ c vụ quản n ,… đặc bi ệ K ẾT LUẬ N Hệ thốn g p , cho phép , chắc chắ n H Ộ S M Khu C N Hình 5. Ản h h giá thử ng h c thành lập b h sự sai lệch ê n ảnh. ọ a độ thực c ủ a độ điểm t ư ì nh phương đ ó: i số tọa độ c ủ a i số tọa độ c u ng phương t t ự sai số tru n t hực nghiệ m t rên m ột kh u v à có thể ph ác cao (<3c m ụ ng trực thă n n loại cây t r lý đô thị, q u ệ t là ứng dụ n N g thu n h ận ả n thu n h ận ả n n sẽ mở ra m Ộ I THẢO Ứ N N PM (b) Ả h nhà điều h à h iệm ban đ ầ b ản đồ tỉ lệ l (e) giữa gi á ủ a điểm cho ư ơng ứng n g sai lệch của ủ a điểm thứ c ủa điểm th ứ t heo tọa độ c m mb = ± n g phương v m đc = = ± m ban đầu ch u vực nhỏ h ẹ ục vụ hiệu q m cho m ặt b n g không n g r ồng, xác đi n u ản lý tài n n g trong trin h n h sử dụng n h nhanh, th ư m ột khả năn g N G DỤNG GI S Ả nh 3D à nh Khu Cô ầ u ứng dụng l ớn, ảnh sa u á t r ị thực tr ê trên bản đồ g oài thực tế các điểm ki ể 1 ứ n c ho trường h n 2 E = ± v ề độ cao đạ t 13 493,0 = ± o thấy hệ th ẹ p, cho phé p q uả trong c ô b ằng và <2 0 g ười lái sẽ á n h nhanh v ị n guyên thiê n h sát và diễ n t r ực thăng k ư ờng xuyên g mới trong S TOÀN QU Ố (c ) ng Nghệ Ph ầ hệ thống m á u khi xử lýđ ư ê n m ặt đất v thành lập t ừ ể m tra như s h ợp thử ngh i 13 4,94 = ± 2, 7 t được như s ± 19,5 cm ống thu nhậ n p truyền hìn h ô ng tác thàn h 0 cm cho độ c á p d ụng rất t ị trí và mức n nhiên, gi á n tập quân s ự k hông ngườ i với độ chín h phục vụ giá m Ố C 2011 ) Ảnh trực g i ầ n Mềm – Đ á y bay khô n ư ợc đánh gi á v à các đặc t r ừ ảnh s au: i ệm 13 điể m 7 cm s au: n ảnh sử dụ n h ảnh trực ti ế h lập bản đ ồ c ao) công n g t ốt trong ng h độ rạch bị s á m sát môi t ự . i lái có ưu t h h xác cao v à m sát, thu t h (1) (2) i ao Đ HQG-HC M n g người lái á theo phươ n r ưng không g m : n g t r ực thă n ế p về mặt đ ấ ồ tỉ lệ lớn. N g hệ giám s á h iên cứu: đ ậ s an lấp, tạo tr ường, cứu h ế chi phi v à d ễ dàng tạ o h ập dữ liệu v 107 M phục vụ n g pháp g ian thể n g có thể ấ t với độ N goài ra, á t và thu ậ p chắn, ảnh 3D hộ cứu v ận hành o d ữ liệu v à h ỗ trợ HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011 108 công tác thành lập bản đồ tại Việt Nam.Mặc dù hệ thống được áp dụng khá linh hoạt trong mọi điều kiện địa hình và rất hiệu quả trong giám sát các khu vực có môi trường độc hại, nhưng còn hạn chế thời gian bay (<30 phút) phạm vi giám sát trong bán kính < 500m (tính từ trạm điều khiển mặt đất). Hệ thống thu nhận ảnh sử dụng UAV đang ngày một hoàn thiện nhằm góp phần làm chủ công nghệ viễn thám ở độ cao thấp từ 10m đến 300m tạo ra khả năng ứng dụng rất lớn trong nhiều lĩnh vực phục vụ phát triển kinh tế-xã hội và an ninh quốc phòng. Tài liệu tham khảo [1] Eisenbeiss, H. 2008, The autonomous mini helicopter: a powerful platform for mobile mapping. The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences. Vol. XXXVII. Part B1, Beijing. [2] Eisenbeiss, H., 2011, The potential of Unmanned Aerial Vehicles for mapping, Institute for Photogrammetry: Germany p. 135-144. [3] Henri Eisenbeiβ, 2009, UAV photogrametry, Zurich, 203 pages. [4] James S.Aber, 2010, Small Format Aerial Photography, 1 st edition, Elsevier, 261 pages. [5] Remondino, F., et al, 2011, UAV photogrammetry for mapping and 3D modeling – current status and future perspectives –. in International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences. Switzerland. [6] Information & Science Techno-System Co., Ltd,http://www.bizworks.co.jp/UAV/Top_E.htm , 09/2011. [7] Information & Science Techno-System Co., Ltd. http://www.ists.co.jp/doc/FalconPARS_en.pdf , 09/2011. . ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011 103 THU NHẬN ẢNH BẰNG MÁY BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI PHỤC VỤ CÔNG TÁC THÀNH LẬP BẢN ĐỒ Phan Thị Anh Thư (1) , Lê Văn Trung (2). bay không người lái (UAV- Unmanned Aerial Vehicle) để giám sát bề mặt trái đất, thu nhận ảnh phục vụ công tác thành lập bản đồ[ 1]. Ưu thế của công nghệ