Nghiên cứu lựa chọn quy trình xử lý ảnh UAV tích hợp công nghệ GNSS trong trắc địa bản đồ

Bài viết Nghiên cứu lựa chọn quy trình xử lý ảnh UAV tích hợp công nghệ GNSS trong trắc địa bản đồ tiến hành so sánh hai quy trình kỹ thuật bay chụp UAV: RTK và PPK để tìm ra phương pháp định vị GNSS trên không phù hợp với từng thiết bị bay chụp, trên cơ sở đó có thể lựa chọn quy trình xử lý ảnh chụp UAV đáp ứng độ chính xác theo quy định hiện hành.

NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN QUY TRÌNH XỬ LÝ ẢNH UAV TÍCH HỢP CƠNG NGHỆ GNSS TRONG TRẮC ĐỊA BẢN ĐỒ Trần Thanh Sơn, Dương Thị Mai Chinh, Lê Thị Hoa Huệ, Vũ Thị Thu Hiền Phân hiệu Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội tại Thanh Hóa Tóm tắt Máy bay khơng người lái (UAV/ Drone) sử dụng khảo sát địa hình, địa chính, đồ, quản lý liệu đất đai quy hoạch đô thị,… chúng sử dụng để tạo DEM, DSM, đường đồng mức, đám mây điểm 3D bình đồ ảnh trực giao (Orthomosaic) Chúng ta thấy có nhiều quy trình khác sử dụng UAV để thu thập liệu, tất quy trình có ưu điểm nhược điểm mình. Quy trình xử lý bay chụp RTK PPK đạt độ xác đến centimet Đây xem hai phương pháp phổ biến cho công tác thành lập đồ Tuy nhiên, tính ổn định, tiện dụng, an tồn xác cao phương pháp PPK lựa chọn hàng đầu cho công tác thành lập đồ Bài báo tiến hành so sánh hai quy trình kỹ thuật bay chụp UAV: RTK PPK để tìm phương pháp định vị GNSS không phù hợp với thiết bị bay chụp, sở lựa chọn quy trình xử lý ảnh chụp UAV đáp ứng độ xác theo quy định hành Từ khóa: Máy bay không người lái; Đo động thời gian thực; Đo động xử lý sau; Đám mây điểm Abstract Researching and selecting of treating process of uav image which is intergrated gnss technology in surveying and mapping engineering Unmanned aerial vehicle (UAV/drone) is used in survey tophographic, cadastre, map, management of land data, urban planning, it is also used to make DEM, DSM, contour, 3D point clouds, Orthomosaic We can be see that there are different processes applied in UAV to collect data, all the processes have its advantage and disadvantage The flying treatment processes take both of RTK and RTK image that achieve to centimeter accuracy This has been two common methods in map construction However, in terms of stability, convenience, safety and high accuracy, the PPK method is still the first choice for map construction today The paper has done comparison between RTK and PPK technique of The flying treatment processes (UAV) to find out locating way in air which is suitable with each shooting aircraf, on that basic, it can be selected a flying procedure to treat photoes which is taken from UAV and adapted accuracy to regulation today Keywords: Unmanned aerial vehicle; Real - time dynamic measurement; Post - processing dynamic measurement; Point clouds Mở đầu Công nghệ bay chụp UAV trở thành công cụ đắc lực hỗ trợ cho công tác trắc địa Công nghệ định vị GNSS phát triển tích hợp vào Drone/UAV khơng giúp giảm cơng sức so với quy trình truyền thống sử dụng điểm khống chế ảnh mà độ xác cịn cho phép thành lập đồ địa hình tỷ lệ lớn theo Thông tư số 07/2021/TT-BTNMT Bộ Tài nguyên Môi trường (Bộ TNMT) ngày 30/6/2021 [1] Với tích hợp công nghệ GNSS vào công nghệ bay chụp, báo khơng đánh giá độ xác so với việc sử dụng điểm kiểm tra mặt đất truyền thống mà so sánh đánh giá quy trình cơng nghệ để xử lý ảnh bay Hội thảo Quốc gia 2022 chụp đạt độ xác tốt ổn định Trên sở nguyên lý hoạt động số thực nghiệm thực hiện, nhóm tác giả đưa số nhận xét quy trình xử lý ảnh UAV tích hợp cơng nghệ GNSS Phương pháp nghiên cứu 2.1 Nguyên tắc hoạt động UAV/RTK Hệ thống đo RTK (Real - Time Kinematic) nói chung bao gồm ba phần: Thiết bị nhận GNSS; Hệ thống truyền liệu hệ thống phần mềm để thực phép đo động. Công nghệ đo RTK công nghệ đo độ lệch pha sóng mang dựa quan sát pha sóng mang có chức định vị nhanh xác cao. Nó thu kết định vị ba chiều trạm đo hệ tọa độ định thời gian thực có độ xác định vị cấp độ centimet Hình 1: Bay chụp UAV phương pháp RTK (Nguồn: https://www.agiratech.com) Nguyên lý hoạt động phép đo RTK là: Một máy thu đặt trạm tham chiếu máy thu khác đặt sóng mang (gọi trạm di động). Trạm tham chiếu trạm di động nhận lúc, tín hiệu truyền vệ tinh GNSS, giá trị quan sát thu từ trạm tham chiếu so sánh với thơng tin vị trí biết để thu giá trị hiệu chỉnh vi sai GNSS. Sau đó, giá trị sửa đổi truyền kịp thời đến trạm di động vệ tinh tầm nhìn chung thơng qua trạm vô tuyến liên kết liệu vô tuyến để tinh chỉnh giá trị quan sát GNSS nó, để có vị trí thời gian thực xác trạm di động sau hiệu chỉnh vi sai Hiện tại, độ xác mặt phẳng định vị nhà sản xuất RTK đạt mm + ppm độ xác độ cao đạt 15 mm + ppm [2, 3, 4]. Có hai phương thức liên lạc trạm gốc trạm di động: Trạm vơ tuyến mạng. Tín hiệu nhà đài ổn định khoảng cách truyền tín hiệu mạng dài, loại có ưu điểm riêng 2.2 Nguyên tắc hoạt động UAV/PPK Nguyên lý hoạt động công nghệ PPK (Post - Processing Kinematic, GPS dynamic Post 10 Hội thảo Quốc gia 2022 - Processing - chênh lệch) sử dụng máy thu trạm tham chiếu để quan sát đồng máy thu di động để quan sát đồng vệ tinh GNSS; Có nghĩa là, trạm tham chiếu giữ quan sát liên tục, trạm di động ban đầu di chuyển đến điểm chưa xác định cần phải theo dõi liên tục vệ tinh trình di chuyển, để chuyển toàn mơ hồ đến điểm chưa xác định Hình 2: Bay chụp UAV phương pháp PPK (Nguồn: https://www.agiratech.com) Dữ liệu nhận đồng trạm tham chiếu trạm di động kết hợp tuyến tính máy tính để tạo thành quan sát pha sóng mang ảo, xác định vị trí tương đối máy thu cuối đưa tọa độ biết trạm tham chiếu, để thu ba tọa độ thứ nguyên trạm di động Công nghệ PPK công nghệ khác biệt động GNSS sớm (còn gọi phương pháp bán động, phương pháp định vị tương đối gần động, phương pháp Dừng Đi (Stop and Go) Sự khác biệt so với cơng nghệ RTK nằm chỗ: Trạm tham chiếu trạm di động, không thiết phải thiết lập truyền liệu thời gian thực RTK mà phải tiến hành xử lý chung sau đo liệu định vị hai máy thu GNSS thu thập sau quan sát định vị, để tính tốn vị trí tọa độ trạm di động thời gian tương ứng khoảng cách trạm tham chiếu trạm di động không bị giới hạn nghiêm ngặt. Ưu điểm độ xác định vị cao, hiệu hoạt động cao, bán kính hoạt động lớn vận hành dễ dàng Kết thực nghiệm 3.1 Quy trình bay chụp kiểm tra độ xác Tiến hành thực bay chụp khu vực, thông số bay chụp (độ phủ, tốc độ bay chụp, độ cao bay chụp,…) với quy trình RTK PPK Để đảm bảo tính khách quan tiến hành sử dụng tài khoản trạm Cors Cục Đo đạc đồ (VNGeoNet) [7] máy GNSS-RTK V200 sử dụng để đo điểm kiểm tra (Ground Control Points - GCP), sử dụng trạm Cors tư nhân Cơng ty cổ phần Tập đồn Việt Thanh chế độ bay RTK Các vị trí kiểm tra đánh dấu dấu sơn địa vật cố định rõ nét thực địa Quy trình bay chụp kiểm tra độ xác theo quy định Thông tư số 07/2021/TT-BTNMT [1]: Hội thảo Quốc gia 2022 11 Hình 3: Quy trình thu nhận xử lý liệu từ UAV [1] Nội dung đánh giá độ xác bao gồm đánh giá độ xác mơ hình DEM độ lệch vị trí mặt ảnh xử lý từ quy trình RTK PPK so với tọa độ kiểm tra GNSS RTK Để tính độ xác mơ hình DEM sử dụng cơng thức sau [2 - 4]: ∆X=XDSM - XGCP ∆Y=YDSM - YGCP ∆H=HDSM - HGCP ∆XYH=XYHDEM - XYHCCP (1) (2) (3) (4) Trong đó: ∆X, ∆Y, ∆H, ∆XYH - Các giá trị chênh lệch thành phần tọa độ vị trí điểm; RMSE - Sai số trung phương; n tổng số điểm kiểm tra; XGCPi XDEM, YGCPi YDEM, ZGCPi, ZDEM: Tương ứng thành phần tọa độ theo trục X, trục Y trục H điểm khống chế mô hình DEM 3.2 Khu vực thực nghiệm thiết bị thực nghiệm Khu vực thực nghiệm lựa chọn mặt khu thị thành phố Thanh Hóa, tỉnh Thanh Hóa Đây khu vực thơng thống hỗ trợ trang thiết bị Công ty cổ phần Tập đoàn Việt Thanh [8] Thiết bị bay sử dụng máy bay Phantom RTK có thông số bay chụp Bảng 12 Hội thảo Quốc gia 2022 Bảng Thơng số Phantom Pro [8] Trọng lượng Cao; Dài; Rộng Tốc độ bay lên tối đa Tốc độ bay xuống tối đa Tốc độ bay ngang tối đa Thời gian bay Tầm bay cao Nhiệt độ hoạt động Định vị Đặc tính kỹ thuật P4P 1280 (g) 18,5; 28,9; 28.9 (cm) (m/s) (m/s) 16 (m/s) 23 (phút) 6000 (m) ÷ 40 (độ ̣ C) GPS/GLONAS/BEIDU Các thơng số máy ảnh Độ phân Cảm biến giải 1” CMOS 20 MP Ghi Tiêu cự Kích thước ảnh 8,8 mm 4864 × 3648 Hình 4: Phantom RTK Phantom PPK gắn TeoKit (Nguồn: Internet) Hình 5: Máy thu GNSS-RTK V200 - hãng Hi-Target (Nguồn: Công ty cổ phần Tập đoàn Việt Thanh) Thiết bị GNSS - RTK sử dụng thực nghiệm máy thu V200 hãng công nghệ Hi - Target, thông số theo Bảng [6] Hội thảo Quốc gia 2022 13 Bảng Thơng số V200 (Hi-Target) (Nguồn: https://hi-target.vn) Tiến hành bay chụp thử nghiệm với độ cao bay chụp 100 m, tốc độ bay m/s, độ phủ dọc/ ngang 70/80 chế độ RTK PPK drone Phantom - RTK Xử lý theo quy trình trình bày theo Hình Ảnh bay chụp UAV xử lý phần mềm Agisoft Professional Lựa chọn điểm làm điểm kiểm tra (GCP), điểm để nâng hạ mơ hình DEM đánh dấu tiêu vết sơn rõ nét thực địa Các điểm GCP chọn phân bố địa hình khu đo, mức độ cao khác đảm bảo phản ánh ảnh hưởng thay đổi địa hình tới mơ hình thành lập Kết thực nghiệm đạt sau: Hình 6: Sai số bình sai khối ảnh tổng hợp cho phương pháp - 2,7 cm Hình 7: Cả phương pháp đạt độ xác cao vị trí mặt 14 Hội thảo Quốc gia 2022 Về vị trí mặt bằng, so với tọa độ đo GNSS - RTK V200, độ lệch quy trình khơng đáng kể (cỡ - cm), sai số hoàn toàn đáp ứng yêu cầu kỹ thuật thành lập loại đồ tỷ lệ lớn Các sai số lớn ảnh hưởng đến sai số tổng hợp chủ yếu ảnh hưởng từ xây dựng mơ hình DSM, DEM Hình 8: Mơ hình đám mây điểm (Dense Cloud) khu vực thực nghiệm Về độ cao có sai lệch đáng kể xử lý mơ hình từ quy trình RTK PPK so với độ cao đo GNSS - RTK V200, đánh giá công thức (4) Kết thể bảng đây: Bảng Bảng so sánh kết chênh lệch cao độ bay chụp ảnh quy trình Độ cao Độ cao Chênh DEM DEM từ DEM từ Độ cao đo thực tế đo đo thực địa (mm) quy trình quy trình máy GNSS DEMDEMbay RTK PPK RTK V200 (m) RTK PPK (DEM(DEM RTK RTK RTK) PPK) STT Tọa độ X Tọa độ Y (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) 2187674.869 2187658.076 2187649.079 2187640.821 2187640.074 2187627.001 2187696.770 2187700.378 581359.022 581377.524 581387.479 581396.911 581387.496 581378.543 581334.959 581359.238 3.813 3.785 3.800 3.787 3.868 3.992 3.779 3.665 3.810 3.767 3.787 3.784 3.873 3.968 3.777 3.662 3.811 3.779 3.807 3.781 3.883 3.956 3.770 3.663 -7 -15 37 -1 -12 -20 -10 13 -1 RMSEH (mm) 15 10 Đánh giá trình bay chụp RTK PPK a Điểm giống RTK PPK - Chế độ hoạt động giống nhau. Cả hai công nghệ áp dụng phương thức hoạt động trạm tham chiếu trạm di động - Cả hai công nghệ cần khởi tạo trước hoạt động - Cả hai đạt độ xác cấp độ centimet Hội thảo Quốc gia 2022 15 b Sự khác RTK PPK - Các phương thức truyền thông khác nhau. Công nghệ RTK yêu cầu đài mạng vô tuyến truyền liệu khác biệt; Cơng nghệ PPK khơng cần hỗ trợ công nghệ truyền thông mà ghi lại liệu tĩnh (khi cơng nghệ RTK Drone UAV đầu thu GNSS) - Các phương pháp hoạt động định vị khác nhau. Công nghệ định vị thời gian thực RTK áp dụng xem tọa độ độ xác điểm đo thời điểm trạm di động; Định vị PPK thuộc định vị sau xử lý khơng thể nhìn thấy tọa độ điểm trường nhìn thấy kết sau xử lý - Bán kính hoạt động khác nhau. Hoạt động RTK bị hạn chế trạm Cosr kết nối khoảng cách làm việc thường không 10 km. Khu vực bay chụp cần được bao phủ tín hiệu mạng, đảm bảo tín hiệu liên tục đạt lời giải Fix; Sử dụng hoạt động công nghệ PPK, bán kính làm việc chung đạt 50 km - Các mức độ ảnh hưởng khác tín hiệu vệ tinh. Trong q trình vận hành RTK, gần chướng ngại vật cối dễ bị tín hiệu. Trong q trình hoạt động PPK, sau khởi tạo, nói chung khơng dễ bị tín hiệu, drone bay theo nhiệm vụ thiết lập từ trước - Các tần số định vị khác nhau. Tần số trạm gốc RTK gửi liệu vi sai nhận trạm di động nói chung - Hz tần số định vị PPK tối đa đạt tới 50 Hz c Phân tích tương đối - Tốc độ bay máy bay khơng người lái nhanh, địi hỏi tần suất định vị cao. Khó đạt điều kiện điều hướng thời gian thực với công nghệ RTK. PPK hỗ trợ tần số định vị 50 Hz, đáp ứng đầy đủ nhu cầu Tuy nhiên điều kiện thực tế, cần chế độ đo tĩnh đạt tần số 10 Hz đạt yêu cầu bay chụp cho tốc độ bay chụp 15 m/s - RTK cung cấp thông tin vị trí theo thời gian thực. PPK tính tốn liệu phần tử lịch khoảng thời gian thông qua xử lý hậu kỳ, điều không cải thiện tỷ lệ cố định mà cịn cải thiện độ xác tính tốn - RTK cần sử dụng đài phát mô - đun liên lạc mạng, PPK không cần giảm tải thiết bị bay không người lái tăng sức chịu đựng máy bay - Khoảng cách hoạt động RTK bị giới hạn khoảng cách hoạt động PPK lên đến 50 km. Trong phạm vi hoạt động xa rộng, đặc biệt lĩnh vực dải băng đường dây tải điện, đường cao tốc, đường sắt, đường ống dẫn dầu khí PPK lựa chọn tốt Kết luận Mặc dù RTK cung cấp thơng tin vị trí có độ xác cao thời gian thực, quy trình có vấn đề kỹ thuật lớn việc ứng dụng phương tiện bay không người lái. So với RTK, ưu điểm lớn PPK xử lý hậu kỳ lọc ngược (Reverse Kalman Filter), giải vấn đề mở khóa số vệ tinh cải thiện độ xác định vị thông qua Forward & Reverse Công nghệ PPK công nghệ định vị không gian phù hợp với phương tiện bay không người lái với phát triển khoa học kỹ thuật. Với công nghệ UAV ngày hoàn thiện, hiệu hoạt động quy mô lớn cao nhiều so với cách đo RTK truyền thống. Cơng nghệ PPK rõ ràng có triển vọng phát triển rộng rãi lĩnh vực máy bay không người lái Một nhược điểm lớn bay UAV - RTK đánh giá lợi so với RTK sai số lớn, chí bị lệch sử dụng trạm Cors cục đo đạc đồ (VNGEONET), sổ tay (điều khiển) 16 Hội thảo Quốc gia 2022 Drone chưa cho phép cải số liệu đo (RCTM) sổ tay máy thu GNSS-RTK sử dụng trạm Cors Cục Đo đạc đồ Trong trường hợp khơng có Cors tư nhân nên sử dụng quy trình bay PPK Nhược điểm khắc phục sử dụng trạm phát Base - Radio trực tiếp cho sổ tay điều khiển máy bay Vì vậy, quy trình bay chụp PPK lựa chọn tốt tất khía cạnh nhiệm vụ bay chụp, khảo sát máy bay không người lái Nhưng tương lai, RTK trở nên vượt trội PPK tiến công nghệ dẫn đến việc liên lạc liên tục cảm biến có nhiều giao thức liên kết với trạm tham chiếu Tuy nhiên, hai quy trình RTK PPK bay chụp UAV cần kết hợp điểm kiểm soát mặt đất (Ground Control Points - GCP) nhiệm vụ khảo sát chúng điểm kiểm tra tin cậy để thu thập liệu Công nghệ PPK chắn trở thành trụ cột phương tiện bay không người lái khảo sát thành lập đồ Thiết bị bay đồng RTK tiện dụng bay chế độ RTK cịn chuyển sang bay chế độ PPK, quy trình kỹ thuật xử lý tối ưu hóa khơng cịn ranh giới quy trình RTK hay PPK Sự đa dạng thiết bị bay Main định vị giúp người sử dụng có nhiều lựa chọn phù hợp cho nhu cầu sử dụng riêng mình, tương ứng với nhiệm vụ bay chụp khác trắc địa - đồ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bộ Tài nguyên Môi trường (2021) Thông tư số 07/2021/TT-BTNMT ngày 30/6/2021 “Quy định kỹ thuật thu nhận xử lý liệu ảnh số từ tàu bay không người lái phục vụ xây dựng, cập nhật sở liệu địa lý quốc gia tỷ lệ 1:2.000, 1:5.000 thành lập đồ địa hình tỷ lệ 1:500, 1:1.000” 17 tr [2] Trần Trung Anh, Dương Thế Anh, Phạm Viết Kiên, Lê Như Ngọc (2019) Kết hợp công nghệ UAV, RTK SES thành lập đồ địa hình tỷ lệ lớn vùng rừng ngập mặn ven biển Hội nghị toàn quốc Khoa học trái đất Tài nguyên với phát triển bền vững - ERSD2019 [3] Nguyễn Đại Đồng, Bùi Ngọc Quý (2020) Cơ sở khoa học phương pháp đo ảnh chụp từ thiết bị bay khơng người lái UAV Tạp chí Khoa học Đo đạc Bản đồ số 46, tr 19 - 27 [4] Nguyễn Quốc Long (2021) Đánh giá độ xác mơ hình số bề mặt mỏ lộ thiên thành lập từ liệu máy bay khơng người lái có định vị tâm chụp ảnh công nghệ đo động xử lý sau Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất tập 62, kỳ (2021) 38 - 47 [5] http://vngeonet.vn [6] https://hi-target.vn [7] https://www.bluemarblegeo.com [8] https://victory.com.vn BBT nhận bài: 11/8/2022; Chấp nhận đăng: 31/10/2022 Hội thảo Quốc gia 2022 17 ... Trên sở nguyên lý hoạt động số thực nghiệm thực hiện, nhóm tác giả đưa số nhận xét quy trình xử lý ảnh UAV tích hợp cơng nghệ GNSS Phương pháp nghiên cứu 2.1 Nguyên tắc hoạt động UAV/ RTK Hệ thống... lệch đáng kể xử lý mơ hình từ quy trình RTK PPK so với độ cao đo GNSS - RTK V200, đánh giá công thức (4) Kết thể bảng đây: Bảng Bảng so sánh kết chênh lệch cao độ bay chụp ảnh quy trình Độ cao... ngang 70/80 chế độ RTK PPK drone Phantom - RTK Xử lý theo quy trình trình bày theo Hình Ảnh bay chụp UAV xử lý phần mềm Agisoft Professional Lựa chọn điểm làm điểm kiểm tra (GCP), điểm để nâng