Giới thiệu hệ thống tích hợp chụp ảnh hàng không và quét LiDAR Citymapper 2

Bài vết Giới thiệu hệ thống tích hợp chụp ảnh hàng không và quét LiDAR Citymapper 2 giới thiệu về hệ thống bay chụp ảnh hàng không và quét LiDAR (Light Detection and Ranging) Citymapper 2 của Leica - là công nghệ hàng đầu trong việc thu thập, xử lý dữ liệu không gian địa lý với độ chính xác và chất lượng cao.

GIỚI THIỆU HỆ THỐNG TÍCH HỢP CHỤP ẢNH HÀNG KHƠNG VÀ QUÉT LIDAR CITYMAPPER Trần Văn Hải1, Lương Thanh Thạch2 Công ty TNHH MTV Trắc địa Bản đồ Trường Đại học Tài nguyên Môi trường Hà Nội Tóm tắt Bài báo giới thiệu hệ thống bay chụp ảnh hàng không quét LiDAR (Light Detection and Ranging) Citymapper Leica - công nghệ hàng đầu việc thu thập, xử lý liệu khơng gian địa lý với độ xác chất lượng cao Hệ thống tích hợp phần cứng phần mềm có tính kỹ thuật vượt trội độ xác hiệu suất liệu Đồng thời, báo giới thiệu quy trình để vận hành xử lý liệu thu nhận từ hệ thống Citymapper Từ khóa: Citymapper; LiDAR; DSM; DTM Abstrast Introduction of integrated system of photography and scan LiDAR Citymapper The article introduces the integrated system of photography and scan LiDAR (Light Detection and Ranging) Citymapper that is the state-of-the art technology in collecting and processing geospatial data with high accuracy and quality The system is an integration of hardware and software with superior accuracy and performance In addition, the article also suggests a basic process for operating and processing data obtained from Citymapper Keywords: Citymapper; LiDAR; DSM; DTM Đặt vấn đề Hiện nay, giới bước vào cách mạng công nghiệp 4.0 với tốc độ thị hóa mạnh, nhiệm vụ quy hoạch kiến trúc, đô thị vấn đề quan tâm Để đáp ứng nhu cầu thực tiễn, đặc biệt ứng dụng cơng nghệ phân tích liệu địa không gian ngày cao yêu cầu lĩnh vực tài nguyên môi trường, xây dựng thành phố thơng minh (SmartCity), phủ điện tử lĩnh vực khác phát triển kinh tế quốc dân liệu hạ tầng khơng gian địa lý nói chung đồ địa hình 3D nói riêng cần thiết Với hạ tầng công nghệ thông tin đại, khả kết hợp liệu để khai thác tối ưu nhu cầu cấp bách thực tế, nhiệm vụ cấp thiết thời Các sản phẩm đồ truyền thống dần không thỏa mãn đủ yêu cầu mô tả khai thác liệu thực tế đại Dữ liệu bề mặt Trái đất theo xu hướng thời đại công nghệ thông tin phải hướng đến mô tả chi tiết đối tượng, bao gồm đủ yếu tố không gian 3D thuộc tính Với yêu cầu trên, có nhiều cơng nghệ đại ứng dụng vào thực tế sản xuất Dữ liệu từ công nghệ (LiDAR, Ảnh số, UAV) bao gồm đám mây điểm (Point Cloud), ảnh trực giao (Orthophoto), mơ hình số bề mặt (DSM - Digital Surface Model), mơ hình số địa hình (DTM Digital Terrain Model), ảnh cường độ (Intensity) đảm bảo vượt trội độ xác liệu khơng khơng gian mà cịn thời gian (tính cập nhật liệu) [8] Trong công tác thu nhận liệu địa lý không gian cơng nghệ LiDAR cơng nghệ chụp ảnh hàng không phương pháp giảm tối đa nhân công lao động chân tay mang lại hiệu cao sản xuất nghiên cứu khoa học Với công nghệ LiDAR điểm địa hình, địa vật đo trực tiếp nên đạt độ xác độ cao, độ xác vị trí mặt đạt thấp khơng có đủ thơng tin mơ tả tính chất, vị trí vật thể Trong cơng nghệ đo vẽ ảnh thực đo 252 Nghiên cứu chuyển giao, ứng dụng khoa học công nghệ sử dụng hợp lý tài nguyên, bảo vệ môi trường phát triển bền vững điểm địa hình, địa vật gián tiếp nên độ xác độ cao đạt thấp cịn độ xác vị trí mặt phẳng thu cao cịn có thơng tin mơ tả tính chất vật thể Sự phát triển khoa học công nghệ mở khả tích hợp hai cơng nghệ quét LiDAR công nghệ chụp ảnh hàng không thành hệ thống thu nhận liệu thống nhất, hệ thống Leica Citymapper phát triển từ Leica Citymapper ví dụ điển hình Đây công nghệ hàng đầu việc thu thập, xử lý liệu không gian địa lý với độ xác chất lượng cao có khả ứng dụng rộng nhiều lĩnh vực toàn cầu Sản phẩm hệ thống là: Đám mây điểm LiDAR, mơ hình số độ cao DEM, mơ hình số bề mặt DSM, mơ hình số địa hình DTM, ảnh cường độ phản xạ Intensity, ảnh nắn trực giao (orthophoto) Tổng quan tình hình ứng dụng hệ thống Citymapper 2.1 Tình hình giới Hệ thống Leica Citymapper kết hợp phép đo trực tiếp độ cao (quét LiDAR) đo vẽ ảnh hàng khơng để xác định vị trí mặt phẳng điểm địa hình, địa vật Hệ thống Leica Citymapper ngày có nhiều ứng dụng lĩnh vực khác như: Qui hoạch kiến trúc đô thị, quản lý hạ tầng kỹ thuật tuyến phố, giao thông đô thị, môi trường nghiên cứu phát triển đô thị, du lịch bảo tồn, khảo cổ, theo dõi, quản lý đánh giá rủi ro thảm họa thiên tai, nông nghiệp, quy hoạch quản lý rừng, đa dạng sinh học, khai thác mỏ, khảo sát hành lang (Tuyến đường cao tốc, đường sắt, đường dây tải điện …) Do có nhiều ứng dụng có nhiều sản phẩm phong phú, đa dạng nên hệ thống Leica Citymapper khẳng định thành phần quan trọng hạ tầng liệu không gian [8] Việc ứng dụng hệ thống Leica Citymapper số quốc gia tiêu biểu như: + Tại Moulins, Pháp: Công ty khảo sát hàng không quốc tế (APEI) vận hành Citymapper kết hợp LiDAR chế độ tuyến tính hệ từ Leica Terrainmapper. Với máy quét LiDAR tốc độ xung MHz hiệu suất cao hơn, công ty hưởng lợi đáng kể, chẳng hạn tốc độ thu thập liệu tăng so với độ cao bay. Cải tiến hiệu suất cho phép bay dải lớn với mật độ điểm định đạt kế hoạch bay hiệu hơn, phân phối điểm đồng cho tất độ cao bay từ 300 - 5.500 m AGL với tối đa 35 xung khơng khí khơng có giới hạn phạm vi [1] Hình 1: Hình ảnh APEI bay chụp lâu đài Versailer, Pháp [1] Nghiên cứu chuyển giao, ứng dụng khoa học công nghệ sử dụng hợp lý tài nguyên, bảo vệ môi trường phát triển bền vững 253 + Tại Anh: Sử dụng Citymapper, Bluesky (Công ty khảo sát hàng không hàng đầu Vương quốc Anh) chụp khu vực London, Manchester Birmingham Brighton, Bristol, Cambridge, Norwich, Nottingham Oxford. Bluesky mở rộng phạm vi cách bay chụp thêm thị trấn thành phố khắp Vương quốc Anh Ireland vào năm 2019 [4] Hình 2: Hình ảnh Bluesky - Anh bay chụp lâu khu vui chơi London [6] + Tại Mỹ: Sử dụng Citymapper, Fugro (Nhà cung cấp giải pháp địa lý toàn vẹn tài sản quốc tế) tiến hành các khảo sát không số trung tâm đô thị đông dân cư Bắc Mỹ để hỗ trợ dịch vụ lập đồ không gian địa lý trung tâm đó. Bộ đầu thu đồng chụp ảnh xiên chụp ảnh thẳng đứng Nadir quét LiDAR Citymapper cho phép tiết kiệm đáng kể thời gian chi phí cách bay lần để thu thập hình ảnh liệu LiDAR. Tất liệu hình ảnh liệu LiDAR thu thập được xử lý quy trình làm việc thống phần mềm Leica HxMap [7].  Hình 3: Hình ảnh Fugro - Mỹ bay chụp thành phố Bordeaux [7] 2.2 Tình hình nước Hiện với phát triển nhanh chóng khoa học cơng nghệ giới, lĩnh vực đo đạc đồ có thay đổi đáng kể việc tạo lập, trì hạ tầng kỹ thuật đại thu 254 Nghiên cứu chuyển giao, ứng dụng khoa học công nghệ sử dụng hợp lý tài nguyên, bảo vệ môi trường phát triển bền vững nhận, xử lý, cung cấp sản phẩm, liệu đo đạc đồ với độ xác cao, thơng tin phong phú, đáp ứng nhanh chóng hiệu cho yêu cầu nghiên cứu, quy hoạch, quản lý lãnh thổ, phát triển kinh tế - xã hội, đảm bảo quốc phòng - an ninh, phục vụ ứng phó với biến đổi khí hậu, nâng cao dân trí Ở Việt Nam thay đổi công nghệ đo đạc đồ tạo nên vị cho ngành đo đạc đồ với việc ứng dụng hệ thống công nghệ vào sản xuất, nghiên cứu Theo phát triển chung tồn cầu, cơng nghệ áp dụng Việt Nam Năm 2018 Tổng Công ty Tài nguyên Môi trường Việt Nam đầu tư hệ thống Citymapper hãng Leica (Thụy sỹ) Bước đầu việc ứng dụng hệ thống Leica Citymapper nghiên cứu sản xuất bay chụp ảnh quét LiDAR Dự án “Xây dựng mơ hình số độ cao độ xác cao khu vực đồng ven biển phục vụ công tác nghiên cứu, đánh giá tác động biến đổi khí hậu, nước biển dâng” với sản phẩm đám mây điểm LiDAR, mơ hình số bề mặt DSM, mơ hình số địa hình DTM ảnh nắn trực giao (orthophoto) Hệ thống Citymapper gồm có thiết bị qt LiDAR tích hợp máy ảnh kỹ thuật số chụp thẳng Harrier56/G4 [5] Hệ thống Leica Citymapper quy trình vận hành 3.1 Nguyên lý cấu tạo Hệ thống Leica Citymapper phiên phát triển tích hợp 06 camera quang học (05 camera RGB, 01 camera NIR) độ phân giải lên đến 150 Mpixel thuộc dòng máy ảnh chuyên nghiệp cỡ lớn, đó, 05 camera RGB có góc chụp khác (trước, sau, trái, phải, thẳng đứng) giải pháp tối ưu bậc tính tới thời điểm việc thành lập đồ 3D xây dựng mơ hình 3D địa vật, vì, lúc thu nhận 05 ảnh 05 góc nhìn khác (gần 360 độ) cơng việc giúp việc thu nhận hình ảnh đối tượng cách tối đa, hạn chế đến mức thấp việc che khuất đối tượng, giúp việc thành lập đồ 3D mơ hình 3D địa vật xác đầy đủ [3] Hình 4: Phần cứng hệ thống Leica Citymapper [2] 3.2 Hệ thống phần mềm Hệ thống Citymapper giải pháp đồng từ phần cứng đến phần mềm Hệ thống phần mềm hãng MissionPro, Flight Pro, HxMap… đảm bảo chất lượng sản phẩm từ khâu bắt đầu đến khâu cuối Với phần mềm thiết kế giám sát bay MissionPro, FlightPro thiết kế riêng cho hệ thống Citymapper đảm bảo thiết kế bay cách hiệu kinh tế phù Nghiên cứu chuyển giao, ứng dụng khoa học công nghệ sử dụng hợp lý tài nguyên, bảo vệ môi trường phát triển bền vững 255 hợp với đặc thù nhiệm vụ khác Ngoài việc thiết kế bay FlightPro cịn hỗ trợ phi cơng bay chụp bám sát kế hoạch bay, đồng thời kiểm tra kết bay chụp ngồi thực địa Thơng tin tọa độ, góc nghiêng bay chụp tính tốn xử lý xác phần mềm xử lý liệu IMU Inertial Explorer nâng cao giúp trình tính tốn sau xác Phân hệ phần mềm HxMap sử dụng thuật tốn cơng nghệ kết hợp liệu bay chụp ảnh quang học với liệu quét LiDAR đồng thời đưa mơ hình 3D với góc cạnh sắc nét, hình ảnh chân thực, thơng tin đối tượng xác Hơn phần mềm hỗ trợ tự động hóa tối đa q trình tăng dày, bình sai, đo vẽ mơ hình 3D tự động giúp đẩy nhanh tối đa quy trình xử lý 3.3 Quy trình vận hành Hình 5: Quy trình vận hành hệ thống Citymapper [9] Quy trình vận hành xử lý liệu thu thập từ hệ thống Citymapper mơ tả hình trên, sử dụng hệ thống phần mềm hãng đảm bảo việc bay chụp, quét LiDAR với hiệu suất cao với quy trình xử lý phần mềm HxMap cung cấp sản phẩm đầu ảnh trực giao, liệu đám mây điểm mô hình số độ cao, mơ hình số địa hình, mơ hình 3D từ LOD (Level Of Detail) đến LOD Chi tiết hóa quy trình vận hành hệ thống thể qua bước sau: Bước 1: Sử dụng phần mềm Mission Pro để lập kế hoạch bay Bước 2: Sử dụng phần mềm Flight Pro để hỗ trợ thực chuyến bay Bước 3: Sử dụng module HxMap đánh giá xử lý liệu 256 Nghiên cứu chuyển giao, ứng dụng khoa học công nghệ sử dụng hợp lý tài nguyên, bảo vệ môi trường phát triển bền vững - Dữ liệu ảnh LiDAR xử lý qua module HxMap để giúp người dùng thực nhanh thao tác kiểm soát chất lượng kết thu liệu hình nhằm phát cố liệu thô thu nhận - Dữ liệu GNSS/IMU tính tốn module xử lý sau để tính tốn quỹ đạo xác đưa kết file *.sol - Module HxMap Ingest hiệu chỉnh liệu ảnh liệu đám mây điểm lần đầu, đám mây điểm không đạt yêu cầu tiến hành hiệu chỉnh Bước Dữ liệu ảnh hiệu chỉnh sáng, xạ báo cáo chất lượng đưa vào module khớp ảnh bình sai.\ - Kết trình bình sai là: InfoCloud (đám mây điểm sinh từ ảnh chụp); Mơ hình số bề mặt (DSM); ảnh Ortho đơn ảnh Ortho ghép - Kết hợp với liệu LiDAR qua module Matching (UDAR registration) tạo sản phẩm: Mơ hình 3D LOD 0; mơ hình 3D LOD 1; mơ hình 3D LOD (có dán mặt); sử dụng bổ sung module 3D Editor người dùng đo vẽ để tạo mơ hình 3D dạng LOD3; liệu đám mây điểm 3D LiDAR tạo từ bước - Sử dụng bổ sung phần mềm SURE Aerial để xử lý liệu đám mây điểm LiDAR ảnh hàng khơng cho mơ hình 3D dạng mesh - Để xử lý liệu LiDAR chuyên sâu (phân loại, tạo mơ hình DTM, DSM, tách đối tượng) phải sử dụng phần mềm thứ TerraSolid - Việc quản lý, hiển thị xử lý liệu 3D liệu khác phải sử dụng hệ thống phần mềm hãng thứ khác BentleyMap (Enterprise) hay Luciad Phần mềm HxMap xử lý liệu bước đầu cho mơ hình 3D LOD 0, LOD1 phần LOD2 phải kết hợp với phần mềm 3D Editor để xử lý liệu 3D nâng cao, việc thành lập mơ hình 3D LOD2 LOD hồn chình phải thực với hỗ trợ module Việc sử dụng phần mềm TerraSolid để xử lý liệu đám mây điểm chun sâu giúp thành lập mơ hình số địa hình với độ xác cao mà phần mềm HxMap không thực Cũng vậy, phần mềm Sure Aerial hãng Leica giới thiệu thành lập mô hình 3D dạng mesh tồn khu vực nghiên cứu cách nhanh chóng xác 3.4 Hệ thống xử lý liệu Hình 6: Module phần mềm HxGN [6] Nghiên cứu chuyển giao, ứng dụng khoa học công nghệ sử dụng hợp lý tài nguyên, bảo vệ môi trường phát triển bền vững 257 Để xử lý liệu tạo ra, Leica cung cấp tảng quy trình làm việc bao gồm từ thu thập, xử lý liệu trực quan hóa liệu thơng qua phần mềm có tên HxGN Phần mềm có module RealWold, RealCity RealTerrain [6]: - RealWorld: Được thiết kế dành cho dự án liên quan đến hình ảnh quy mơ lớn - RealCity: Là module hỗ trợ cho SmartCities, cho phép tạo mơ hình 3D cấu trúc chụp - RealTerrain: Là giải pháp xử lý sau liệu LiDAR cho khu vực rộng lớn mật độ cấu trúc cao Một số dạng sản phẩm Hệ thống Leica Citymapper hệ thống hàng đầu giới áp dụng nước lớn Tại Việt Nam hệ thống công nghệ chưa đầu tư áp dụng vào sản xuất ngành Dưới sản phẩm hình thành nước khác Hình 7: Mơ hình 3D [7] Hình 8: Hệ thống đám mây điểm RGB [7] 258 Nghiên cứu chuyển giao, ứng dụng khoa học công nghệ sử dụng hợp lý tài nguyên, bảo vệ mơi trường phát triển bền vững Hình 9: Hệ thống đám mây điểm [7] Hình 10: Sự kết hợp đám mây điểm mơ hình 3D [7] Kết luận Hiện nay, giới bước vào cách mạng công nghiệp 4.0, liệu địa không gian có yêu cầu ngày cao Đo việc thu thập, xử lý liệu xây dựng sở liệu không gian địa lý 3D làm sở liệu để xây dựng sở liệu chuyên ngành ngày trở nên cấp thiết Tại Việt Nam phát triển mơ hình thành phố thông minh (SmartCity) Một số tỉnh, thành phố Hà Nội, Thừa Thiên Huế, Lâm Đồng, Hồ Chí Minh, Quảng Ninh, Vĩnh Phúc, Bắc Ninh, xúc tiến triển khai đề án xây dựng thành phố thông minh phương pháp truyền thống Việc đầu tư, ứng dụng hệ thống bay chụp ảnh hàng không Leica Citymapper vào việc thành lập thành phố 3D cần thiết Đây hệ thống mới, với nhiều tính năng, ưu điểm vượt trội nhiên địi hỏi đồng trình độ, lực làm chủ trang thiết bị Công nghệ kết hợp phép đo trực tiếp độ cao (quét LiDAR) đo vẽ ảnh hàng không để xác định vị trí mặt phẳng điểm địa hình, địa vật thiết kế cho xây dựng đồ không gian chiều thị cách nhanh chóng, xác, có tiến vượt trội so với cơng nghệ trước việc thành lập mơ hình số địa hình, mơ hình số độ cao, mơ hình số bề mặt phục vụ công tác thành lập đồ địa hình, đồ Nghiên cứu chuyển giao, ứng dụng khoa học công nghệ sử dụng hợp lý tài nguyên, bảo vệ môi trường phát triển bền vững 259 không gian chiều, xây dựng sở thơng tin địa lý Nó cho phép đẩy nhanh tiến độ thi cơng đáng kể, giảm chi phí thi cơng đạt độ xác cao, cần phải có bước chuẩn bị đầy đủ, kịp thời trước ứng dụng hệ thống TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] APEI first to purchase Leica Citymapper (https://www.geospatialworld.net/) [2] Bản giới thiệu Leica Citymapper More Information, Smarter Decisions: (https://leica-geosystems com/products/airborne-systems/-/media/74923E90C017497E9B7B6D67C9BC2FC6.ashx) [3] Bản giới thiệu Leica Citymapper Hybrid Airborne Sensor Product Specification [4] Bluesky uses Leica Citymapper to capture major UK cities 3D (https://leica-geosystems.com/) [5] Lê Tuấn Anh, Trần Đức Thuận, Phạm Văn Tuân, Lê Đình Hiển (2018) Ứng dụng cơng nghệ tích hợp LiDAR chụp ảnh hàng không (Citymapper - Leica) thu nhận, xử lý thành lập liệu không gian địa lý Báo cáo khoa học cơng nghệ tồn quốc nghành đo đạc đồ năm 2018 [6] Leica Airborne Citymapper - Giải pháp thú vị để thành lập đồ thành phố: https://vi.geofumadas com/ [7] A new are of airborne city mapping (https://leica-geosystems.com/) [8] Trần Đức Thuận, Dương Văn Hải, Bùi Huy Hoàng, Cáp Xuân Tú (2018) Nghiên cứu, ứng dụng công nghệ thu thập liệu không gian địa lý phục vụ xây dựng sở liệu đa mục tiêu http://vinanren.vn/Document/ TMVDATA/NAM2018.pdf [9] Công ty TNHH MTV Trắc địa Bản đồ (2021) Tài liệu hướng dẫn quy trình tổng thể Citymapper (Tài liệu lưu hành nội bộ, trình hồn thiện) Ngày chấp nhận đăng: 10/11/2021 Người phản biện: TS Nguyễn Bá Dũng 260 Nghiên cứu chuyển giao, ứng dụng khoa học công nghệ sử dụng hợp lý tài nguyên, bảo vệ môi trường phát triển bền vững ... khoa học công nghệ mở khả tích hợp hai cơng nghệ qt LiDAR công nghệ chụp ảnh hàng không thành hệ thống thu nhận liệu thống nhất, hệ thống Leica Citymapper phát triển từ Leica Citymapper ví dụ... điểm LiDAR, mơ hình số bề mặt DSM, mơ hình số địa hình DTM ảnh nắn trực giao (orthophoto) Hệ thống Citymapper gồm có thiết bị quét LiDAR tích hợp máy ảnh kỹ thuật số chụp thẳng Harrier56/G4 [5] Hệ. .. vật xác đầy đủ [3] Hình 4: Phần cứng hệ thống Leica Citymapper [2] 3 .2 Hệ thống phần mềm Hệ thống Citymapper giải pháp đồng từ phần cứng đến phần mềm Hệ thống phần mềm hãng MissionPro, Flight